CC BY
53
УДК 528.2/3
О ЕДИНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ЕЕ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА
Анатолий Иванович Каленицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Александр Николаевич Соловицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, соискатель, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Для формирования единого деформационного пространства земной коры и её поверхности при освоении угольных месторождений предложен комплексный геодезический мониторинг. Установлены его особенности и намечены пути реализации.
Ключевые слова: Деформация, мониторинг, блок земной коры, ранг, геодинамическое явление, кинематика, геодинамический полигон.
ABOUT AN INTEGRATED AREA OF DEFORMATION OF EARTH CRUST AND ITS SURFAGE AT THE DEVELOPMENT OF DEPOSITS IN KUSBASS
Anatoliy I. Kalenizkij
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doktor in Technical Sciences, professor, Deparment of Astronomy and Gravim-etry, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Aleksandr N. Solowizkij
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., competitor, Ph. D. in Technical Sciences, associate professor, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
The complex geodesic monitoring is suggested for forming the integrated deformation area of Earth crust and its surface at the development of coal deposits. Particular features have been determined and the methods of its realization have been defined.
Key words: Deformation, monitoring, the blocks of the Earth's crust, rank, dynamic phenomenon, kinematics, geodynamic ground.
В настоящее время Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) занимает лидирующее положение в Российской Федерации по добыче угля. На его долю приходится около 50 % всего объема добычи, в том числе 80 % коксующих углей. Общая площадь угленосных отложений составляет около 26000 квадратных километров. Балансовые запасы всего бассейна оцениваются в 76406,7 миллионов тонн. В Кузбассе работают 127 шахт и разрезов, и 69 горных предприятий планируется ввести строй в ближайшее время. На балансе действующих предприятий находится 18233 миллионов тонн угля. С 2012 года общий объем его до-
бычи в Кузбассе превысил 200-милионный рубеж. За 2013 год в Кузбассе было нарушено 2,60 тысячи гектар земель, при этом доля влияния горных работ составляет 1,85 тысяч гектар. В первую очередь при ведении горных работ разрушается геологическая среда. Перемещение горных масс из недр на поверхность по Кузбассу оценивается в 12 миллиардов кубических метров, что привело к изменению рельефа местности, образованию депрессионных воронок, нарушению природного равновесия в миграции химических элементов и напряжений земной коры. Ведение горных работ при освоении угольных месторождений влияет на изменение водного режима территорий, также миграцию газов. На действующих шахтах метан поступает в атмосферу из дегазационных и вентиляционных установок. 73% всех шахт по газовыделению отнесены к сверхкатегорийным. 13 шахт опасны по внезапным выбросам угля и газа [3]. 70% всех шахт ведут горные работы глубине 200 -300 м, 28% - на глубине 300-600 м, а ряд шахт - более 600 м. Мощность пластов колеблется 0,8 до 15 м и более, а её средняя величина составляет 3 м [1].
С точки зрения природных условий Кузбасс - это котловина, которая расположена на западной окраине Алтае-Саянской горной области между Кузнецким Алатау, Горной Шорией и Салаирским кряжем. Практически вся угольная промышленность сосредоточена примерно на 30% общей площади Кемеровской области, здесь проживает 70% населения - это зона интенсивного техногенного воздействия [1]. Вся эта зона интенсивного техногенного воздействия, обусловленная ведением горных работ, попадает в зоны влияния разломов.
Анализируя изложенное выше, можно отметить, что актуальной задачей для Кузбасса в настоящее время является изучение и контроль:
- за перераспределением напряжений земной коры;
- за миграцией подземных вод и газов;
- за наведенной сейсмичностью.
Решение указанной задачи заключается в формировании единого деформационного пространства земной коры и её поверхности при освоении угольных месторождений. Основой этого единого деформационного пространства является комплексный геодезический мониторинг. Указанный мониторинг представляет сложную систему, он теоретически обоснован и реализован на практике на атомных и гидроэлектростанциях, а также при добыче углеводородов. В Кузбассе и других угольных бассейнах России практикуется маркшейдерский контроль сдвижений и деформаций земной поверхности. В геомеханическом обеспечении геотехнологии освоения недр используются разнообразные модели деформированного состояния горного массива пород, но чаще всего простейшие точечные и плоские [1, 3, 4]. Их применение обусловлено упрощением классической теории этого состояния. Так, например, при анализе устойчивости бортов при открытой геотехнологии освоения недр используются векторные схемы, которые для дискретных пунктов наблюдательных станций иллюстрируют вертикальные и горизонтальные смещения. В табл. приведены величины вертикальных и горизонтальных смещений рабочих реперов, получен-
ные по результатам математической обработки инструментальных наблюдений цикла №2 и цикла №3 на разрезе "Вахрушевразрезуголь".
Таблица
Результаты инструментальных наблюдений на участке № 1 разреза "Вахру-
шевразрезуголь"
Номера реперов Смещения (м) Горизонтальные деформации Сдвиг
Горизонтальные Вертикальные
Цикл №3
3 +0,326 +0,064
4 -0,145 -0,016 -3,4*10-3 6,6*10-3
5 -0,172 +0,045 +0,5*10-3 1,0*10-3
Цикл №2
8 +0,128 -0,062
9 +0,092 -0,058 -0,8*10-3 1,7*10-3
10 -0,622 +0,292 +8,7*10-3 11,4*10-3
По значениям вертикальных и горизонтальных смещений вычислены горизонтальные деформации и сдвиг по традиционной методике [1].
Главными достоинствами классического подхода к математической обработке результатов инструментальных наблюдений за смещениями подработанного массива горных пород является простота и наглядность, однако эта методика основана на минимуме затрат и применение простейших вычислительных средств, которыми были оснащены горнодобывающие предприятия в середине прошлого века.
Авторами предлагается комплексный геодезический мониторинг деформаций земной коры и её поверхности при освоении месторождений Кузбасса. Основными его особенностями являются:
- иерархическая структура;
- общая теория;
- единые параметры;
- реализация фундаментальных гипотез геодинамики;
- метод структурно ориентированных построений геодинамического полигона (ГДП);
- комплексность и взаимообусловленность повторных высокоточных наблюдений на ГДП;
- определение динамических параметров блоков земной коры;
- зонирование деформированного состояния блоков земной коры;
- целенаправленность прикладных геодинамических исследований.
Иерархия комплексного геодезического мониторинга деформаций земной
коры и её поверхности при освоении месторождений Кузбасса включает следующие уровни:
- региональный (деформации блоков земной коры II, III и рангов);
- локальный (деформации блоков земной коры локальный; VI рангов);
- детальный (деформации поверхности земной коры внутри блоков VI ранга).
Теоретической основой предложенных методов мониторинга являются следующие гипотезы [1, 2, 3, 4, 5]:
- о действии и релаксации напряжений;
- о преемственности новейших движений в современный период;
- о пренебрегаемо малых скоростях деформаций земной коры, не приводящих к проявлению ГДЯ.
Для первой реализации гипотезы предложены динамические параметры блока земной коры (изменения во времени деформации, напряжения и потенциальной энергии деформирования). Указанные параметры находятся в линейной зависимости от вертикальных и горизонтальных движений, изменений силы тяжести во времени и температуры структурно ориентированных пунктов ГДП и их координат в начальную эпоху.
В рамках реализации второй гипотезы предложен метод структурно ориентированных построений ГДП. Данные построения ГДП находятся в прямой зависимости от взаимодействия блоков земной коры месторождения по разломам, минимальное количество мобильных пунктов для каждого из них равно 4, с заложением в вершине и узлах их пересечения с учетом глубины проникновения и четырех стабильных пунктов - в условно-стабильном блоке.
Более 70 % блоков земной коры Ш-го ранга Кузбасса имеют форму полигона, образованного 4-мя узлами пересечения разломов. Таким образом, типовой фигурой построений ГДП будет тетраэдр, объемный аналог плоской центральной системы из 5-ти пунктов. Форма такой системы будет определяться расположением наивысшей точки блока земной коры и пересечением разломов, что накладывает ограничения на точностные характеристики. Основными рекомендациями по преодолению данных ограничений являются современные возможности геодезической техники [1, 2, 4].
Многоступенчатость структурно ориентированных построений ГДП в районе освоения месторождения определяется геодинамической активностью блоков земной коры рангов Я и Я+1 (их скоростью изменения во времени деформаций более 3 10-6 в год).
А для реализации третьей гипотезы предложен метод регистрации развития природных и техногенных геодинамических процессов блоков земной коры на пунктах структурно ориентированные построения ГДП, основанный на прямо пропорциональной зависимости её средних квадратических погрешностей от скорости изменения во времени их деформаций в год, не приводящих к проявлению геодинамических явлений (ГДЯ) (менее 110-6 в год), и, проводимый взаимно обусловленным комплексом высокоточных повторных
геодезических и гравиметрических наблюдений наземными и космическими средствами.
Для реализации указанного мониторинга необходимо подготовить следующее обеспечение:
- теоретическое;
- программное;
- кадровое.
Для реализации теоретического обеспечения авторами развита теория и разработаны соответствующие методы. В качестве основы программного обеспечения предлагается программа для персональных компьютеров. На сегодняшний день ни один вуз Кузбасса подготовку специалистов для проведения комплексный геодезический мониторинг деформаций земной коры и её поверхности при освоении угольных месторождений не проводит. Для подготовки указанных специалистов необходимо создание специализации на кафедре инженерной геодезии и маркшейдерского дела Сибирского государственного университета геосистем и технологий.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Безопасное освоение угольных месторождений Кузбасса возможно при реализации комплексного геодезического мониторинга деформаций земной коры и её поверхности.
2. Разработанная теория и методы комплексного геодезического мониторинга деформаций земной коры и её поверхности формируют ГДП нового типа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соловицкий А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород [Текст]. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 260 с.
2. Соловицкий А. Н. Мониторинг геодинамических явлений разрушительного характера при освоении месторождений // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. -С.37-42.
3. Соловицкий А. Н. Об особенностях формирования системы контроля деформаций блоков земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса // Геодезия и картография . - 2012. - № 10. - С. 13-16.
4. Карпик А. П., Каленицкий А. И., Соловицкий А. Н. Новый этап развития геодезии -переход к изучению деформаций блоков земной коры в районах освоения месторождений // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 3-9.
5. Карпик А. П., Каленицкий А. И., Соловицкий А. Н. Технология изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (24). - С. 3-11.
© А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий, 2015
