Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы техногенной сейсмичности и геодинамической безопасности и обоснование выбранного направления исследований 18
1.1. Возникновение проблемы техногенной сейсмичности в регионе и обоснование путей ее решения 25
1.1.1. Основные черты геологического строения Балтийского щита 26
1.1.2. Тектоническая эволюция региона
1.1.2.1. Неотектонические движения 30
1.1.2.2. Постледниковые и современные движения 35
1.2. Сейсмотектонические условия Балтийского щита 43
1.2.1. Сейсмогенные зоны и сейсмотектонические структуры Кольского полуострова 47
1.3. Выводы и задачи исследований 54
2. Блочное строение Хибин и геодинамическое взаимодействие блоков 57
2.1. Геологическое строение Хибинского массива и отличительные черты его геоморфологии 57
2.2. Методика исследований блочного строения Хибинского массива и выявления активных разломов 66
2.2.1. Геоморфологические признаки разломов 68
2.2.2. Подтверждение результатов геоморфологического анализа тектонических форм рельефа 77
2.2.3. Определение возраста движений 88
2.2.4. Определение относительной скорости движений блоков различного ранга 95
2.2.4.1. Сопоставление результатов геоморфологических исследований с инструментальными измерениями скорости поднятия блоков 99
2.2.5. Выявление закономерностей иерархичности структуры Хибин 114
2.3. Влияние разломов на напряженно деформированное состояние массива 120
2.3.1. Результаты анализа оценки напряжений методом разгрузки для определения их величины и направления действия в выявленных блоках 121
2.3.2. Реконструкция полей палеоналряжений по данным съемки трещиноватости и анализ трещин,выявленных на картах и аэрофотоснимках 126
2.3.3. Величина зон влияния разломов на напряженно деформированное состояние массива по данным визуальных и инструментальных наблюдений 133
2.4. Выводы 153
3. Сейсмичность Хибинского массива 157
3.1. Пространственно-временные
параметры сейсмичности 159
3.1.1. Уточнение скоростной модели среды 161
3.1.2. Обоснование оптимальной сети станций
для исследования параметров очагов землетрясений 174
3.1.3. Динамика сейсмического процесса в блочном массиве и оценка критического уровня предельных техногенных воздействий 188
3.1.4. Влияние горных работ на изменение напряженно-деформированного состояния и сейсмичность 227
3.2. Выводы 240
4. Исследование реакции блочного массива на техногенное воздействие на основе анализа сейсмических событий малых энергий 244
4.1. Реакция блочного массива на мощные технологические взрывы 245
4.2. Поведение блочного массива в период подготовки землетрясения и после него 252
4.3. Исследование возможности прогноза землетрясений на основе регистрации сейсмических событий малых энергий 294
4.4. Выводы 316
5. Методические основы прогноза техногенных землетрясений и разработка мер предотвращения горных ударов с учетом геолого-структурных данных для обеспечения геодинамической безопасности 320
5.1. Оценка максимально возможной магнитуды техногенного землетрясенияпо геолого-структурным данным 322
5.2. Оценка максимально возможной магнитуды землетрясения по графикам повторяемости 328
5.3. Разработка комплекса мер предотвращения горных ударов 334
5.3.1 Выбор мест заложения шахтных стволов и основных капитальных выработок с учетом геодинамического районирования 334
5.4. Разработка локальных мер
предотвращения горных ударов 339
5.4.1. Снижение удароопасности
камуфлетным взрыванием зарядов В В 340
5.4.2. Снижение удароопасности камуфлетным взрыванием зарядов на компенсационные скважины 345
5.4.3. Снижение удароопасности разгрузочными скважинами 347
5.4.4. Выбор устойчивой формы поперечного сечения выработок 354
5.4.5. Разработка мероприятий по защите людей и выработок от последствий горных ударов 357
5.5. Оценка эффективности мероприятий по предотвращению горных ударов в шахтных условиях 359
5.5.1. Оценка эффективности мероприятий ультразвуковым методом 359
5.5.2. Оценка эффективности противоударных мероприятий методом электромагнитной эмиссии 365
5.5.3. Оценка эффективности противоударных мероприятий методом дискования керна 3 5.6. Внедрение мер предотвращения горных ударов 374
5.7. Выводы 378
Заключение 382
Литература
- Постледниковые и современные движения
- Методика исследований блочного строения Хибинского массива и выявления активных разломов
- Величина зон влияния разломов на напряженно деформированное состояние массива по данным визуальных и инструментальных наблюдений
- Снижение удароопасности камуфлетным взрыванием зарядов на компенсационные скважины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Многолетняя интенсивная эксплуатация месторождении полезных ископаемых приводит к углублению горных работ и увеличению площади очистной выемки, что существенным образом влияет на исходное поле напряжений, создает предпосылки для формирования предельно напряженных участков массива пород и влечет за собой резкое ухудшение горно-технической обстановки. Возрастающее с глубиной горное давление проявляется в виде толчков, стреляний, микроударов и горных ударов. На многих месторождениях отмечаются случаи горнотектонических ударов с внезапными подвижками блоков по тектоническим нарушениям, что обусловлено совместным воздействием естественных и техногенных факторов.
В настоящее время в решении проблемы горных ударов достигнуты значительные успехи, исследован механизм их проявления и энергия, однако большое разнообразие горно-геологических условий эксплуатации месторождений, различия в геологической истории развития регионов I! наличие в них тектонически активных разломов, определяющих геодинамику блочных структур, и целый ряд других, факторов приводят к тому, что горные и горнотектонические удары происходят под влиянием не только локальных, но и региональных воздействий.
Изучению проблемы горного давления и борьбы с горными ударами на рудных и нерудных месторождениях посвящены работы многих исследователей. Особый вклад в ее решение внесли отечественные ученые: С. Г. Авершин, И. Т. Айтматов, В. И. Борщ-Компаниец, Я. А. Бич, Н. П. Влох, В. Б. Дьяковский, П. В. Егоров, М. В. Курленя, В. С. Куксенко,
A. А. Козырев, С. М. Капустянский, Г. А. Марков, И. М. Петухов,
B. А. Смирнов, А. А. Фнлинков, Г. Л. Фисенко, Б. В. Шрепп, Е. И. Шемя
кин, В. С. Ямщиков и многие другие. Из зарубежных исследователей из
вестны работы Э. Айзаксона, П. Кноля, Н. Хаста, Е. Лимана, Ч. Джегера,
Л. Мюллера, Е. Брауна, Д. Денхама и др.
Благодаря этим исследованиям проблема прогноза и предотвращения горных ударов при эксплуатации месторождений практически решена, в результате чего разработана энергетическая модель очага горного удара, что является большой заслугой таких ученых, как И. М. Петухов, А. Н. Ставрогин, А. М. Линьков, В. А. Смирнов, П. В. Егоров, Б. Ш. Винокур и др.
С увеличением объемов извлечения полезного ископаемого, расширением отрабатываемой площади эксплуатируемых месторождений и углублением горных работ на месторождениях начинают проявляться горнотектонические удары, которые являются наиболее опасными, так как они охватывают большие участки шахтных полей. Значительные по силе проявления горнотектонические удары отмечались на месторождениях Норильска, СУБРа, Горной Шорни, Ткибули-Шаорском месторождении и апатитовых рудниках Хибин.
Решение проблемы горнотектонпческих ударов потребовало знаний о геолого-структурном и тектоническом строении районов месторождений, исследования блочного строения и геодинамического взаимодействия блоков. Такие исследования на удароопасных месторождениях, организованные по инициативе ВНИМИ и КузПИ, дали положительные результаты. Под руководством И. М. Петухова и И. М. Ватутиной разработана методика геодинамического районирования месторождений по ударо-опасности, позволяющая прогнозировать удароопасные участки и зоны уже на стадии составления проектов отработки месторождений. Большой вклад в эти исследования внесли ученые: Г. А. Марков, Е. И. Шемякин, М. Л. Садовский, М. В. Курленя, И. Т. Айтматов, Н. П. Влох, В. А. Смирнов, В. М. Проскуряков, С. А. Ватутин, П. В. Егоров, Р. А. Такранов, В. Б. Дьяковский, А. А. Козырев и многие другие. В исследованиях принимал участие и автор данной работы.
Некоторые удары горнотектонического типа по интенсивности воздействия и механизму проявления вполне сопоставимы с мелкофокусными землетрясениями, и в работах исследователей, занимающихся проблемой борьбы с горными ударами, появился термин "техногенная сейсмичность".
На рудниках Хибин проблема горных ударов возникла к началу 80-х годов, когда в эксплуатацию были введены горизонты, расположенные ниже уровня дна долин. Количество породы, выброшенной в горные выработки при горных ударах, достигало 100 и более тонн. Участились случаи горнотектонических ударов, которые по интенсивности проявления соответствовали мелкофокусным землетрясениям. Сейсмическими станциями стали регистрироваться землетрясения, эпицентры которых расположены непосредственно в Хибинском массиве. Наиболее сильное землетрясение в Хибинах (8 баллов) произошло 16 апреля 1989 г. и привело к разрушениям на Кировском руднике. В пос. Кукисвумчорр, городах Кировске и Апатитах это землетрясение ощущалось интенсивностью 6, 5 и 4 балла, соответственно. Оно зарегистрировано более чем на 20-тп сейсмических станциях, расположенных на территории России и Скандинавии, и, по мнению большинства исследователей, его природа является техногенной.
Большое количество публикаций и научных работ, выполненных на эту тематику, а также сложности эксплуатации глубоких горизонтов рудников в условиях высокого горного давления свидетельствуют об актуальности проблемы, связанной с безопасной и эффективной эксплуатацией рудных месторождений.
Рассматриваемая на основе новых данных и представлений проблема обеспечения геодинамической безопасности является актуальной не только для районов ведения интенсивных горных работ, где количество извлеченной горной массы достигает нескольких миллиардов тонн, но и при создании больших хвостохранилищ, отвалов, водохранилищ. Она имеет важное не только научное и народнохозяйственное, но и социальное значение, поскольку в практике промышленного и гражданского строитель-
ства возникла необходимость оценки сейсмической опасности от техногенных землетрясений.
Исследования выполнены в рамках плановой темы Кольского регионального сейсмологического центра Кольского научного центра Российской Академии Наук "Техногенная сейсмичность в районах промышленного освоения Европейского севера" (ГР № 004366, 01.9.40) под научным руководством и при непосредственном участии автора, а также по проекту "Создание Кольского геодинамического полигона для контроля воздействия на земную кору крупномасштабных естественных и антропогенных факторов, в том числе мощных взрывов различного назначения и захоронения радиоактивных отходов'' в рамках Российского фонда фундаментальных исследований (проект 93-05-8090) и региональной темы "Создание Кольского геодинамического полигона для оценки допустимого воздействия крупномасштабной деятельности на высоконапряженные кристаллические массивы на территории Евро-Арктического региона".
В работе использованы материалы и результаты исследований, полученные автором в процессе многолетней работы на рудниках Хибин в качестве рудничного геолога и начальника службы прогноза и предотвращения горных ударов. Исследования проводились в соответствии с Координационным планом НИР и ОКР на 1980 — 1985 гг. и Программой НИР и ОКР на 1986 — 1990 гг. по проблеме горных ударов, разработанными на основе Постановлений ГКНТ № 86 от 02.04.81 г. и № 552 от 29.10.85 г.
В разделе, касающемся сейсмичности Балтийского щита, использованы материалы заключительного отчета "Оценка сейсмической опасности площадки Кольской АЭС-2". — Кн. 2. — "Сейсмология и сейсмотектоника". — М., 1993 г., в составлении которого автор принимал участие как исполнитель работы.
Основой в разделе геодинамических исследовании являются материалы кандидатской диссертации автора "Геомеханическое обоснование комплекса мер предотвращения горных ударов при отработке глубоких горизонтов Хибинских апатито-нефелиновых месторождений с учетом геодинамики" (1988 г.), положения которой были расширены и уточнены в последние годы.
Целью работы является установление критических пределов совместного влияния природных и техногенных воздействий на напряженно-цеформнрованное состояние блочного массива для разработки мер по эбеспечению геодинамической безопасности при интенсивных горных заботах в больших объемах и эффективной и безопасной эксплуатации месторождений.
Идея работы заключается в том, что скальный массив, осложненный эазломами разного масштаба, иерархии, возраста и тектонической актив-гости, при совместном проявлении природно-тектонических и техноген-шх напряжений является геодинамически саморегулирующейся блоч-іой системой, предопределяющей режим напряженно-деформированного
состояния, на основе чего разрабатываются эффективные мероприятия для обеспечения геодинамической безопасности интенсивных горных работ. Основнім задачи работы:
— исследовать тектоническое строение региона, выявить активные
геодинамические блоки и разломы., установить время их активизации и
оценить их активность по относительной скорости движений;
— исследовать основные закономерности влияния активных разломов
на напряженно-деформированное состояние и удароопасность массива;
исследовать особенности изменения напряженно-деформированного состояния блочного массива, находящегося под совместным воздействием тектонических напряжений и интенсивных горных работ в больших объемах; выявить причины резкого увеличения энергетики сейсмических процессов в районе Хибин и качественно оценить их энергетический уровень;
разработать научные основы оценки интенсивности техногенных землетрясений и их максимально возможной магнитуды на основе геолого-структурных и геоморфологических данных;
разработать и внедрить региональные и локальные мероприятия по профилактике и предотвращению горных и горнотектонических ударов;
разработать и внедрить результаты исследований в виде рекомен: даций по организации наблюдений за техногенными землетрясениями, их прогнозу и оценке сейсмической опасности в регламентах и проектных разработках при строительстве ответственных и потенциально экологически опасных объектов, а также при интенсивных горных работах.
Методы исследований. Общей теоретической и методологическое основой работы является подход, базирующийся на анализе и научном обобщении результатов натурных наблюдений и исследований проявление горного давления с помощью геомеханических и геофизических методов Анализировались данные инструментальных наблюдений (регистрацш ЭМЭ, методы разгрузки и дискования керна, сейсмический метод, геоде зические наблюдения) за напряженно-деформированным состоянием мае сива с позиций блочной среды, а также исследовалась реакция массива ні техногенное воздействие на основе энергетики сейсмического процесса Проводились геодинамические исследования с использованием геолого структурного и геоморфологического методов. Для решения поставлен ных задач использовались методы математической статистики, теорій вероятностей с использованием электронно-вычислительной техники.
Основные /тучные положения, выносимые на защиту:
— исследования послеледниковых форм рельефа позволяют выявит:
' блочное строение района, установить местоположение активных разло
мов, классифицировать их по активности, размеру и возрасту и осушест вить геодинамическое районирование глубоких горизонтов шахтных по лей по удароопасности;
— при совместном влиянии природных полей напряжений и техно
генного воздействия, обусловленного извлечением и перемещением горноі
массы в больших объемах и на большой площади, существует критический уровень техногенных нагрузок, при достижении которого блочный массив как геодинамическая система теряет устойчивость, часть блоков начинает испытывать внезапные подвижки и смещения по разломам, что проявляется в виде горнотектоннческих ударов и техногенных землетрясении, интенсивность которых зависит от размеров геодинампческих блоков, уровня техногенных нагрузок и величины тектонических напряжений, закономерности распределения которых определяются блочным строением района;
— активные разломы определяют напряженно-деформированное со
стояние массива внутри блоков и на их границах, вблизи зон разломов
формируются предельно напряженные участки массива, являющиеся по
тенциально удароопасными, для приведения их в неудароопасное состоя
ние разработаны и опробованы региональные и локальные мероприятия,
параметры которых уточнены применительно к глубоким горизонтам
апатитовых рудников, что обеспечивает эффективные и безопасные усло
вия эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в разработке и развитии, применительно к рудным и нерудным месторождениям, нового научного направления — обеспечения геодинамическон безопасности при ведении интенсивных горных работ в больших объемах и прогноза техногенных землетрясений на основе изучения послеледниковых форм рельефа, активности блоков с учетом их размеров и разломов с учетом их ранга и возраста, масштабов очистной выемки и площади, на которой она осуществляется, что позволило получить впервые следующие научные результаты:
разработано научное обоснование геодинамического обеспечения безопасного промышленного освоения региона Хибин при интенсивных горных работах, включающее в себя методику выявления активных разломов, основанную на анализе послеледниковых форм рельефа и методику оденки максимально возможной магнитуды техногенного землетрясения, созданную на основе анализа геолого-тектонпческих и геоморфологических данных;
изучены закономерности блочного строения Хибин и выявлены активные разломы различного масштаба, пространственно-иерархической связи, возраста и тектонической активности, которые классифицированы по размеру и активности; доказана унаследованность в тектонической активности региона. На основе структурно-тектонических закономерностей создана геодинамическая модель блочного массива Хибин, которая реализуется в условиях совместного проявления природной и техногенной сейсмичности;
доказано влияние перемещения больших объемов горных пород л руд на перераспределение поля напряжений в блочной среде, определена критическая величина сдвиговой составляющей в плоскости разлома, обуславливающей горно-тектонические удары и техногенные землетрясения, создана модель механизма техногенной сейсмичности при интенсивных
горных работах в больших объемах, при этом установлено, что прямая зависимость роста сейсмичности от количества извлеченного полезного ископаемого и взорванного ВВ наблюдается лишь до достижения критического уровня воздействия на блочный массив, после чего даже при резком снижении техногенного воздействия сейсмичность не снижается, т. е. происходит внутренняя перестройка блочного массива как системы; оценен среднегодовой фон естественной сейсмичности в Хибинах, который за счет влияния горных работ в больших объемах возрос на два порядка; изучены закономерности распределения сейсмических явлений техногенного происхождения п их энергетики по площади и во времени.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов анализа, привлечением обширных фактических материалов работы рудников и экспериментальных данных, полученных в натурных условиях на замерных станциях геофизических и геомеханических наблюдений за напряженно-деформированным состоянием массива (методы: разгрузки, дискования керна, регистрации естественного электромагнитного излучения в режиме профилирования горных выработок и на замерных станциях), анализом условий и причин проявления горных и горно-тектонпческих ударов, а также данных сейсмологических исследований и наблюдений (более 5000 сейсмических событий малых энергии — толчков в массиве, около 600 землетрясений), сходимостью результатов теоретических исследований и моделирования с результатами натурных измерений и наблюдений.
Личный вклад автора диссертационной работы:
постановка задач, организация и научное руководство многолетними натурными наблюдениями и исследованиями (с 1980 г.) по проблеме прогноза и предотвращения горных ударов при интенсивных горных работах на глубоких горизонтах рудников, а также научное руководство и исследования по теме "Техногенная сейсмичность в районах промышленного освоения Европейского севера России", результаты которых приведены в диссертационной работе;
разработка и уточнение методики геодинамического районирования региона Хибин ік'ьоснове анализа послеледниковых форм рельефа, выявление геолого-структурных и горно-технических факторов удароопасности, оценка размеров зон влияния разломов на ударо-опасность;
разработка и уточнение эффективных параметров мероприятий по снижению удароопасности на апатитовых рудниках Хибин;
научное обоснование методики оценки максимально возможной магнитуды техногенного землетрясения на основе геолого-структурных и геоморфологических данных, определение фона естественной сейсмичности региона Хибин и оценка критического уровня техногенных нагрузок, совместное влияние которых с природными напряжениями приводит к качественно новому уровню напряжений в массиве и проявлению техногенной сейсмичности;
— сбор и анализ материалов, полученных другими исследователями,
что способствовало более полному и обоснованному обобщению по теме
диссертации.
Практическая значимость раГюты.
— разработаны на уровне изобретении локальные меры по снижению
удароопасности, основанные на использовании разгрузочных и защитных
щелей, создаваемых скважинами, определены их параметры и области
эффективного применения. Результаты работ включены во "Временные
указания по приведению выработок в неудароопасное состояние методом
бурения разгрузочных скважин и шпуров на рудниках производственно
го объединения "Апатит" (Апатиты — Кировск, 1989), в "Указания по без
опасному ведению горных работ на Хибинских месторождениях, склон
ных к горным ударам" (Апатиты —Кировск, 1985); в "Инструкцию по
безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождени
ях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным
ударам" (Л.: ВНИМИ, 1989);
разработана и обоснована классификация активных разломов Хибин, что позволило использовать результаты исследовании при проектировании и строительстве глубоких горизонтов рудников, провести геодинамическое районирование шахтных полей по удароопасности. Рекомендации по геодинамическому районированию вошли в "Методические указания по геодинамическому районированию месторождений" (Л.: ВНИМИ, 1989);
разработан инженерный метод оценки максимально возможной магнитуды техногенного землетрясения и использован в проекте строительства Кольской АЭС-2 (заключительный отчет "Оценка сейсмической опасности площадки Кольской АЭС-2". — Кн. 2. — "Сейсмология и сейсмотектоника". — М., 1993).
Реализация работы. Результаты геодинамических исследований по выявлению активных разломов и оценке их потенциальной удароопасности и рекомендации по применению региональных мер борьбы с горными и горнотектоническими ударами использованы институтом "Гипро-руда" в проектах строительства глубоких горизонтов Кировского, Юкс-гюрского и Расвумчоррского рудников для обеспечения эффективной и эезопасной эксплуатации.
Локальные мероприятия по снижению удароопасности, основанные іа создании разгрузочных щелей скважинами и шпурами, используются m всех подземных апатитовых рудниках Хибин и обеспечивают эффективную и безопасную эксплуатацию месторождений.
Результаты исследований по оценке максимально возможной магни-гуды техногенного землетрясения при интенсивных горных работах в больших объемах доведены до практического применения и внедрены в трактику проектирования и строительства Кольской атомной станции. Заключительный отчет по оценке сейсмической опасности и сейсмическим /словиям размещения КАЭС-2 прошел экспертизу и одобрен МАГАТЭ.
Выводы и результаты исследований использованы в шести нормативно-методических документах, утвержденных контролирующими и руководящими органами горнодобывающих отраслей.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзном семинаре по проблеме борьбы с горными ударами (Ленинград, 1986); Координационных совещаниях по проблеме горных ударов при разработке рудных и нерудных месторождений (Кировск, 1984, 1991); 8-м Всесоюзном совещании по измерениям напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1982); Научном семинаре по горной геофизике (Сухуми, 1983); Всесоюзном симпозиуме "Тектонические основы и инженерно-геологические аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (Апатиты, 1983); Всесоюзном совещании по геодинампческому районированию месторождений (Кемерово, 1987); Всесоюзных конференциях и совещаниях по механике горных пород (Тбилиси, 1983, 1985, 1989; Апатиты, 1986; Фрунзе, 1989); Научно-техническом семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985); Всесоюзном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих районах" (Пермь, 1991); научных семинарах ВНИМИ, ИФЗ им. О. 10. Шмидта; научно-технических совещаниях производственного объединения "Апатит"; на семинаре в университете Бергена (1995); втором Всероссийском семинаре "Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений в горном массиве" (С.-Петербург, 1994); 3-м Международном симпозиуме Торное дело" (С.-Петербург, 1994); на Всероссийском семинаре по геодинамическому районированию недр (С.-Петербург, 1995); на I Международной конференции "Экология и развитие Северо-запада России" (С.-Петербург, 1995); на 3-м Международном Баренцевоморском симпозиуме "Окружающая среда в Баренцевоморском регионе" (Киркенес, 1996); на II Международном рабочем совещании "Проблемы геодинамической безопасности" (С.-Петербург, 1997).
Постледниковые и современные движения
Опыт эксплуатации как рудных, так и нерудных месторождений показал, что с углублением горных работ начинают проявляться динамические формы горного давления, которые выражаются в виде шелушения, динамического заколообразования, стреляния пород, а также в виде собственно горных ударов. Проявления горных ударов обусловлены возникновением локальных предельно напряженных участков породного массива, формирующихся в его краевой части (на контуре выработок, целиках и т.п.), в результате воздействия полей напряжений нетронутого массива и ведения горных работ. Горные выработки, а также любые полости в породном массиве, являются концентраторами исходного поля напряжений и влекут за собой негативные проявления горного давления. Известно также, что геологоструктурные неоднородности (геологические контакты, разрывные тектонические нарушения и т.п.) в значительной степени влияют на формирование полей напряжений и могут являться причиной возникновения предельно напряженных участков.
Изучению проблемы горного давления и борьбы с горными ударами на рудных и нерудных месторождениях посвящены работы многих исследователей. Особый вклад в ее решение внесли отечественные ученые С.Г.Авершин, В.И.Борщ-Компониец, И.М.Петухов, В.А.Смирнов, П.В.Егоров, Н.П.Влох, Г.А.Марков, И.Т.Айтматов, М.В.Курленя, В. Б. Дьяковский, А.А.Козырев, Б.В.Шрепп, Е.И.Шемякин, В.С.Ямщиков, Я.А.Бич, В.С.Куксенко, А.А.Филинков и многие другие. Из зарубежных исследователей следует выделить следующих: Э.Айзаксон, П.Кноль, Н.Хаст, Е.Лиман, Ч.Джегер, Л.Мюллер, Е.Браун, Д.Денхам и других.
Благодаря этим исследованиям проблема прогноза и предотвращения горных ударов при эксплуатации месторождений практически решена, в результате чего разработана энергетическая модель очага горного удара, что является большой заслугой таких ученых, как И.М. Петухов, А.Н. Ставрогин, A.M. Линьков, В.А. Смирнов, П.В. Егоров, Б.Ш. Винокур и других.
С увеличением объемов извлечения полезного ископаемого, расширением площади эксплуатируемых месторождений и интенсификацией горных работ на месторождениях начинают проявляться горнотектонические удары, которые являются наиболее опасными, так как они охватывают большие площади шахтных полей. Значительные по силе проявления горнотектонические удары отмечались на месторождениях Норильска, СУБРа, Горной Шории, Ткибули-Шаорском месторождении и апатитовых рудниках Хибин.
Решение проблемы горнотектонических ударов потребовало знаний о геолого-структурном и тектоническом строении районов месторождений, исследования блочного строения и геодинамического взаимодействия блоков. Проведение таких исследований на удароопасных месторождениях было организовано под руководством ВНИМИ и КузПИ и дало положительные результаты. Под руководством И.М. Петухова и И.М. Ватутиной разработана методика геодинамического районирования месторождений по удароопасности, что дало возможность прогнозировать удароопасные участки и зоны уже на стадии составления проектов отработки месторождений. Большой вклад в эти исследования внесли ученые: Г.А. Марков, Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, И.Т. Айтматов, Н.П. Влох, В.А. Смирнов, В.М. Проскуряков, С.А. Ватутин, П.В. Егоров, В.Б. Дьяковский, А.А. Козырев и многие другие. В этих исследованиях принимал участие и автор данной работы.
Некоторые удары горнотектонического типа по интенсивности и механизму проявления вполне сопоставимы с мелкофокусными землетрясениями и в работах исследователей, занимающихся проблемой борьбы с горными ударами появился термин техногенная сейсмичность. Природа проявления техногенных землетрясений в настоящее время изучены весьма слабо, не выяснены факторы и условия их возникновения, не изучен механизм землетрясений.
Вообще же термин возбужденная или наведенная сейсмичность впервые был использован еще в конце 30-х годов, когда при заполнении водохранилищ в ранее асейсмичных районах стали отмечаться землетрясения.
Предположение о увеличении сейсмической активности в связи с созданием в 1935 году искусственного озера Мид (США) высказано в [1]. Озеро Мид создано на р. Колорадо, его объем около 35 км3, глубина до 140 м. До заполнения водохранилища сейсмических толчков в районе не отмечалось, землетрясения начались с 1936 года и максимум сейсмичности пришелся на 1939 год, в котором произошло землетрясение с магнитудой М = 5. Для землетрясений этого района глубина очагов не превышает 10 км, а обычно составляет 4-6 км.
Одно из крупных водохранилищ Кариба, объем которого составляет около 160 км3, расположено на реке Замбези, на границе между Замбией и Зимбабве. Высота его плотины 128 м. С началом заполнения водохранилища в 1958 году стало отмечаться проявление слабой сейсмичности, с повышением уровня воды сейсмическая активность увеличивалась и достигла максимума в сентябре 1963 года. В сентябре 1963 года произошло два землетрясения, магнитуда которых была около М=6.
Методика исследований блочного строения Хибинского массива и выявления активных разломов
Среди новейших локальных структур на территории Карелии выделяются: горсты, сопряженные с горстово-антиклинальными выступами фундамента карелид (Койкарский, Ругозерский, Тунгудский, Остерский), имеют в плане изометричную или удлиненную форму, ориентированную в северо-западном направлении; горсты, сопряженные со среднепротерозойскими наложенными мульдами (Янгозерский, Западно-Онежский), имеют более сложное внутреннее строение. В рельефе выражен в виде возвышенных участков с резко расчлененным рельефом; горсты, сопряженные со среднепротерозойскими грабен-синклиналями и приразломной Чирко-Камской синклиналью, выражены в рельефе в виде узких, отчетливо линейных гряд, ограниченных уступами высотой до 20-40 м.
Отрицательные новейшие локальные структуры представлены преимущественно различной формы грабенами. В пределах Ладожского синклинория характер новейших тектонических движений унаследованно-дифференцированный, наблюдаются многочисленные следы и признаки молодых сейсмодислокаций голоценового возраста как в пределах самого Ладожского грабена, так и по линиям крупных разломов.
Вдоль северного берега оз. М. Янисярви, на острове Валаам, в ряде заливов северного Приладожья отчетливо проявляются молодые тектонические нарушения голоценового возраста и следы послеледниковых сейсмодислокаций. Северный край Ладожского синклинория отделяется от Фенно- Карельского поднятия мощным тектоническим швом, осложнен наложенной мульдой оз. М. Янисярви и представляет собой синклинальную структуру западного-северо- западного простирания. Структура мульды осложнена серией субпараллельных разломов с амплитудой смещения в десятки метров.
Четко выраженный в рельефе кряж Ветреного пояса сформировался, в основном, за счет тектонических движений. На современный гипсометрический уровень он выведен новейшими тектоническими движениями. В последнюю ледниковую эпоху он испытывал воздымание, благодаря чему оказался крупным водоразделом.
В Онежской мульде тектоника проявилась по разломам северо-западного простирания, по которым встречаются крутые, почти вертикальные уступы высотой до 80 м, имеющие следы неотектонических подвижек. Во многих разломах Заонежья выявлены следы проявления молодых, голоценовых сейсмодислокаций. Ступенчатые сбросы, омоложенные новейшими тектоническими движениями, свидетельствуют о грабенообразном опускании западного берега Онежского озера. Наличие новейших тектонических движений в котловине Онежского озера подтверждается и геофизическими методами исследований. Так в районе "региональной флексуры Полканова А.А.", рассекающей котловину озера как бы на две части, происходит смена знака регионального гравитационного поля, к северу от нее имеют место отрицательные движения, к югу -положительные. Известно, что на территории Балтийского щита гравитационные аномалии наблюдаются на участках, испытавших движения положительного знака. Общая суммарная деформация массива составила около 200 м [32].
Инструментальные наблюдения за современными движениями на Балтийском щите подтверждают наличие дифференцированных поднятий. На территории Кольского полуострова и Карелии в различные годы было заложено несколько геодезических полигонов, по которым периодически осуществлялись прецизионные нивелировки. Такими полигонами являются: линия нивелирования 1 класса Кандалакша - Ковда, протяженностью 104 км; геодезический полигон в районе Кольской АЭС, общая длина трассы которого составляет 18 км; нивелировочные линии Титан - Кировск -Кукисвумчорр, протяженностью около 20 км; геодезический микрополигон в Дальних Зеленцах.
Многолетние наблюдения показали, что на указанных полигонах отмечаются дифференцированные восходящие движения, средняя скорость которых составляет 1-2 мм/год. Максимальная скорость поднятия отмечена в районе Хибинского массива и достигает на отдельных участках геодезического профиля 45-47 мм/год, в районе Кольской АЭС дифференцированные восходящие движения составляют 1,5-2,0 мм/год, в Дальних Зеленцах - 2,6 мм/год. Результаты нивелирования по линии железной дороги Мурманск -С.-Петербург и морские уровенные наблюдения дают значения скорости поднятия от 2,5 до 4,5 мм/год. Результаты геодезических наблюдений, проводимых ГИ КНЦ РАН, изложены в работах [33, 34, 35, 36, 37].
Величина зон влияния разломов на напряженно деформированное состояние массива по данным визуальных и инструментальных наблюдений
В геологической литературе новейшие разломы нассифицируются по разному, в зависимости от того, как и для аких целей используются участки земной коры, расположенные олизи разлома. Обычно считается, что разломы, неоднократно роявлявшие свою активность в недавнем геологическом прошлом, [огут возобновить свою деятельность и в будущем, и что их еятельность будет продолжаться. Например, в Калифорнии под ктивными понимаются разломы, проявлявшие свою деятельность во ремя голоцена, положение которых легко определимо и, которые ызвали смещение дневной поверхности. В Новой Зеландии к ктивным относятся разломы, неоднократно проявлявшие свою ;еятельность в последние 500 тыс. лет.
В своих исследованиях автор придерживался терминологии О.А.Мещерякова, который предложил считать новейшими ектонические структуры, следы которых непосредственно бнаруживаются в рельефе [26, 73].
О взаимосвязи рельефа с блоковыми структурами свидетельствуют работы многих исследователей [74, 75], а В.А. Чпродов прямо указывает при этом, что неотектонические движения троникают до глубины 700-750 км и подчеркивает, что мозаично-блоковое строение неотектоносферы определяется перемещением отдельных участков земной коры, разделенных атоническими нарушениями [76]. Рельеф поверхности создается [авным образом за счет вертикальных движений по разломам ізличной глубины заложения и отражает блоковые структуры земной эры в зависимости от масштаба рельефообразующего разлома.
Общие закономерности движения Фенноскандии по данным ізличньгх исследователей характеризуются следующим образом: - Оллиер К. и Спенсер Е. полагают, что максимальная скорость однятия Фенноскандии за последние 7000 лет составляла 16 мм/год, современная скорость поднятия достигает 10 мм/год [77]; - Николаев Н.И. считает, что за последние 10 000 лет на ольском полуострове сохраняется куполообразный характер эднятия с максимумом в центре в несколько сотен метров [78]; - Кошечкин Б.И. и Стрелков С.А. тектонические поднятия на ольском полуострове рассматривают как сводообразное вспучивание даной глыбы с максимумом в центре 150-250 м за 10 000 лет [79]; - Никонов А.А. показывает, что на фоне общего поднятия ольской глыбы происходят дифференцированные вертикальные іижения отдельных блоков, а Хибинский и Ловозерский массивы в эслеледниковое время испытывали поднятие со скоростью на 0,3-1,2 м/год большей, чем скорость поднятия окружающей равнины [80].
Приведенные данные свидетельствуют о общем воздымании, эторое испытывает земная кора на Кольском полуострове на ротяжении всего послеледникового периода и по настоящее время. ри этом скорость поднятия Хибинского массива больше, чем у вещающей его толщи архея и протерозоя, что объясняется риуроченностью его к стыку северо-западного и северо-восточного губинных разломов [20].
В горном районе Хибин роль блоковых структур наиболее ярко лражена и связь рельефа с разрывными нарушениями наблюдается посредственно по ступенчатому характеру превышений участков с различными гипсометрическими уровнями, что характерно для нормальных сбросов. К наиболее ярким формам рельефа, связанным с вертикальными движениями, относятся тектонические уступы, представляющие собой крутые склоны, расположенные на взброшенном крыле разлома и протягивающиеся параллельно линии сместителя. Тектонические нарушения на таких участках представлены системами крутопадающих трещин-разломов с зеркалами скольжения глинкой трения, зачастую трещины выполнены позднейшими гидротермальными образованиями.
К другим характерным формам рельефа относятся глубокие вытянутые ущелья с отвесными стенками. Эти ущелья разделяют платообразные вершины гор, имеющие различные высотные отметки. Стенки ущелий слабо эродированы. Вблизи ущелий отмечаются оперяющие трещины, на стенках которых имеются зеркала скольжения и борозды трения, а выполняющий их материал смят и разгнейсован.
И, наконец, в пределах массива развиты глубоко врезанные долины-троги (леднике: ого происхождения) с довольно пологими эродированными склонами. Дно их перекрыто моренными отложениями. Смежные вершины гор, разделяемые такими долинами также имеют различные гипсометрические уровни.
О происхождении ущелий и долин существует несколько точек зрения. Так, Гладцин И.Н. рассматривает ущелья как результат морозного выветривания [81], Чирвинский П.Н. считает, что ущелья и долины образовались по разрушенным и шпреуштейнизированным зонам, которые легко поддаются выветриванию и размыву [82], а А.Д. Арманд и М.Д. Дорфман связывают происхождение отрицательных форм рельефа (с зонами линейной коры выветривания [83]. Однако все исследователи указывают на приуроченность этих процессов к зонам разломов, представляющих участки наиболее ослабленных пород.
Снижение удароопасности камуфлетным взрыванием зарядов на компенсационные скважины
Такой же подход использован и при анализе более крупных рещин. Для этих целей, трещины, выявленные на картах масштаба :25 000, наносились на карту блочного строения (Рис. 10). В іроцессе работы для каждого блока строились розы-диаграммы фиентировки трещин. На рисунке видно, что ориентировка и аспределение трещин в различных блоках существенно отличаются, гри этом каждому блоку присуще свое преобладающее направление гростирания трещин. Отмечается закономерность в том, что вблизи эазломов трещины ориентируются по нормали к ним.
Данные метода разгрузки показали, что вблизи разломов максимальные напряжения меняют свое направление на іерпендикулярное разлому. В этом случае растягивающие или минимальные напряжения ориентируются параллельно нарушению, а тачит эти трещины являются трещинами отрыва.
Образование трещин отрыва вблизи разломов происходит на роне сжатия, при условии, что одно из напряжений, в направлении действия которого образуются трещины, является преобладающим, а напряжения, действующие по нормали к плоскости отрыва, являются минимальными по величине, или растягивающими. В данном случае сжимающее напряжение действует перпендикулярно простиранию более крупного разлома.
Разрывные тектонические нарушения в Хибинах формировались на фоне дифференцированного поднятия, в преимущественно условиях сжатия. Движения носили и носят глыбовый, грабено-горстовый характер. Поэтому максимальные горизонтальные напряжения вблизи разломов ориентировались по нормали к ним, о чем свидетельствует и простирание трещин, по которым можно судить и о преимущественном направлении действия главных напряжений.
Интерпретируя таким образом направленность роз-диаграмм трещин отрыва, можно судить о направлении действия максимального сжимающего напряжения в том или ином блоке, о направленности возможных внезапных подвижек, что весьма важно не только при выявлении напряженно-деформированного состояния массива, но и для определения механизмов очагов землетрясений, оценки их магаитуды.
Приведенные данные позволяют полагать о взаимосвязи палеонапряжений в Хибинах с современными действующими напряжениями по принципу унаследовательности, а трещинная тектоника является диагностическим признаком, на основе которого возможно установление не только палео, но и современных полей напряжений.
Таким образом, разрывные тектонические нарушения определяют характер поля напряжений, а вид напряженного состояния в блоках и на их границах меняется в зависимости от направления действия максимальных напряжений и ориентировки разрывных тектонических нарушений.
Исследования трещинной тектоники на основе методов тектонофизической реконструкции палеонапряжений позволили оценить современные поля напряжений в выявленных блоках с учетом их тектонических границ и влияния разломов. Направления действия главных горизонтальных напряжений в различных блоках, установленные на основе тектонофизического анализа, практически совпадают с результатами оценки напряжений методом разгрузки, что позволяет использовать такой подход уже на стадии геологосъемочных и геологоразведочных работ без привлечения дорогостоящих, трудоемких и не всегда возможных инструментальных методов оценки напряжений.
В методическом плане оказалось весьма полезным использование принципа от общего к частному, когда выявление особенностей геологического строения осуществляется сверху вниз, то есть от региональных структур к локальным, в сочетании с решением обратной задачи. Суть ее заключается в том, что используя методы тектонофизического анализа разрывных структур, начиная от трещин различной протяженности и до разломов различного ранга реконструируется тектонофизическая обстановка в геодинамических блоках. Этим самым проверяется правильность результатов и выводов, полученных при геодинамических исследованиях.
Разработка Хибинских апатито-нефелиновых месторождений ведется с 1929 года. Сведения о динамических проявлениях горного давления на рудниках имели отрывочный характер до 1980 года, и только после создания службы прогноза и предотвращения горных ударов, которую в течение длительного времени возглавлял автор данной работы, эти наблюдения стали систематизироваться.
В скальных массивах под воздействием высоких напряжений наблюдаются явления хрупкого разрушения с вывалами породы на контуре выработок, что приводит к увеличению их поперечного сечения. На апатитовых рудниках Хибин горное давление обычно проявляется в следующих формах: - мгновенное хрупкое разрушение пород под действием высоких напряжений. Сопровождается звуковым и сейсмическим эффектами и выбросом породы в горные выработки (шелушение, стреляние, динамическое заколообразование, микроудары, собственно горные удары, горнотектонические удары). Объем выброса достигает нескольких десятков и даже сотен тонн, а сейсмический эффект сопоставим со слабыми землетрясениями;