Геодинамическое районирование недр

 

 

 

Евразийский национальный университет имени  Л.Н.Гумилева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Геодинамическое районирование недр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана -2011

 

 

Геодинамическое районирование недр

 

Наиболее сложный и нерешенный вопрос в настоящее время– величина активных горизонтальных сил, ответственных в конечном счете за напряженное состояние земной коры и литосферы в целом, перемещение литосферных плит и силовое взаимодействие блоков разного иерархического ранга.

Метод геодинамического районирования месторождений – как метод исследования естественного напряженного состояния массива горных пород – сформировался в 1978-1979 гг., в связи с решением вопроса о доле участия современной тектоники в проявлении горных ударов[2].

К этому времени значительно возросли глубины разработки месторождений, появились горно-тектонические удары и техногенные землетрясения. Утвердился тезис о том, что горные удары есть результат взаимодействия двух процессов: современного тектонофизического и технологического, создаваемого инженерной деятельностью человека при отработке месторождений. Эта уверенность базировалась на фактах превышения горизонтальных напряжений над вертикальными, установленных учеными в результате большого числа измерений, произведенных на горных выработках различных регионов. Причину этой закономерности объясняли влиянием современной тектонической деятельности.

Для горной науки  возникла методологическая проблема необходимости изучения и учета естественного поля напряжений массива горных пород при проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий, опасных по горным ударам. Для этого был проведен анализ 2,5 тысяч источников публикаций по горным ударам начиная с 1900 г. Из этого анализа следовало, что наличие зонповышенных тектонических напряжений в массиве горных пород при разработке месторождений подтверждалось фактами:

–стреляния горных пород в тоннелях (Евдокимов-Рокотовский М. И., 1929г.), объясненного современной тектонической деятельностью;

–участия энергии вмещающих пород в проявлении горного удара (Петухов И.М., 1954 г.);

–превышения горизонтальных напряжений над вертикальными на отдельных рудниках, полученного инструментально по методу разгрузки, и объяснение этого факта с позиций современных движений земной коры (Батугин С.А. и др. 1964 г.);

–приуроченности мест возникновения внезапных выбросов угля и газа к зонам максимального изменения скоростей современных движений земной коры (КоньковГ.А. и др. 1965 г.);

–наличия связи неравномерного распределения горных ударов по площади и глубине с касательными тектоническими напряжениями (Батугина  И.М., 1968 г.).

Эти и другие факты свидетельствовали о том, что в массиве горных пород есть особо опасные зоны, которые обладают определенными свойствами, отличными от соседних зон. Анализ локальных геологических и горнотехнических условий проявления горных ударов убедительно показал, чтов формировании и проявлении горных ударов на угольных шахтах участвует вся система «угольный пласт – боковые породы» и что горный удар происходит вследствие превышения скорости приложения нагрузки над скоростью релаксации напряжений в угольном пласте, а энергия горного удара складывается из энергии упругого сжатия пласта и притока энергии из окружающего массива (Петухов И.М., 1954-1972 гг.).

Установлено также, что горные удары проявляются неравномерно в пространстве и времени. Интенсивность горных ударов и условия их проявления в пространстве значительно зависят от величин касательных тектонических напряжений в земной коре, а также времени и режима их действия. Причем, чем больше величина касательных напряжений, тем с меньшей глубины и большей интенсивностью происходят горные удары. Кроме того, число горных удароввозрастает в определенные часы, дни, сезоны года. Это обусловлено влиянием на напряженное состояние пород таких глобальных факторов, как действие солнечной активности, лунно-солнечных приливов, неравномерности скорости вращения Земли и т.д. (Батугина И.М., Батугин А.С., 1966-1969 гг., Петухов И.М., 1972 г.).

В связи с этим появилась вторая методологическая проблема горной науки: раскрыть механизм формирования исходного поля напряжений в районе месторождения на стадии проектирования, строительства, а также прекращения деятельности горных предприятий для выявления опасных, тектонически напряженных зон. На стадии проектирования и строительства мы имеем общую геологическую карту. Инженерно-геологические данные о свойствах грунтов в местах сооружения промплощадок, сведения о физико-механических свойствах пород, полученные на основании результатов бурения скважин под стволы. Наличие только этого фактического материала о естественном состоянии недр в районе месторождения не давало достаточного основания для раскрытия механизма формирования естественного поля напряжений.

Однако разработка месторождений  ведется на глубинах до 5 км, т. е. в  верхних частях земной коры. Следовательно, исходное поле напряжений горных пород в районе разрабатываемого месторождения обусловливается теми физико-химическими процессами вещества земной коры, изучением которых занимаются науки о земле, такие как геология, геофизика, геохимия, география, в том числе и геодезия и др. Каждая их этих наук владеет определенным уровнем информации о свойствах и поведении вещества земной коры.

Обобщение фактов и синтез методов потребовали единого методологического подхода. В данном случае был выбран общий  диалектический метод о единстве материального мира, который позволил выделить одни и те же закономерности, полученные путем дифференциации исследований в смежных науках, и синтезировать их по принципу «от общего к частному»в более или менее целостное представление о естественном напряженном состоянии массива.

Статистическое исследование являются предварительной разведкой о сущности явления. Полученные при этом выводы свидетельствуют о скрытом механизме явления, который предстоит расшифровать.

Путем синтеза информационных блоков из смежных отраслей наук о  Земле был создан метод геодинамического районирования месторождений в качестве основного метода новой отрасли наук о Земле – геодинамики месторождений. Позднее область применения метода расширилась, и он получил название – метод геодинамического районирования недр (геодинамика недр).

Логико-структурная схема создания метода геодинамического районирования недр представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Логико-структурная схема геодинамического

 районирования месторождений

 

Процесс деформирования  состоит из суммы частных процессов, он происходит на более качественной ступени. Познав его, мы очевидно, смогли бы расшифровать последовательность деформирования горных пород, подработанной земной поверхности, выявив, таким образом, для правильного планирования, например горных работ, наиболее напряженные участки разломов в исследуемом районе на данном этапе его развития.

Использование при создании метода геодинамического районирования принципа от общего к частному (1978–1980 гг.) позволило получить возможность оперативного выделения блочной структуры, выявления взаимодействия и взаимозависимости элементов блочной структуры, выявления взаимодействия и взаимозависимости элементов блочной структуры, классифицировать блоки по рангам (I, II, IIIи т.д.), учитывая «главенство» блоков высшего ранга по отношению к низшему. Вопрос об иерархической соподчиненности блоков получил позднее отражение в работах Садовского М.А. и других, прежде всего, в части выявления возможности установления количественной оценки соотношения размеров блоков в структуре. В методе же геодинамического районирования соподчиненность и размеры блоков выявляются автоматически из методики их выделения последовательно от высшего ранга к низшему.

Таким образом, методологическими основами создания метода геодинамического районирования недр являются:

–выявление общности закономерностей в частных, науках о Земле на основании их диалектического единства;

–раскрытие закономерностей формирования исходного поля напряжений региона на основе изучения геодинамического состояния земной коры;

–выявление блочной структуры земной коры на основе принципа «от общего к частному», раскрывающего существующую соподчиненность элементов блочной структуры;

– применение выявленных закономерностей для планирования безопасного освоения недр на стадии проектирования и строительства предприятий и других объектов.

Содержание  метода геодинамического районирования вытекает из логико-структурной схемы (рисунок1) в общих чертах сводится к следующему.

Тектоническое поле напряжений как в районе месторождений, так и в районе любого объекта, если подходить к его изучению по принципу «от общего к частному», можно охарактеризовать следующим образом. Земная кора состоит из плит, каждая из которых имеет свое вращательно-поступательное движение. Под влиянием напряжений, действующих на границе плит, они дробятся на крупные мегаблоки. которые определенным образом взаимодействуют между собой и под влиянием напряжений, возникающих на их контактах, делятся на блоки более низкого ранга и т.д. В конечном итоге можно прийти к микроблочному строению массива, динамическое взаимодействие блоков на котором и будет определять естественное поле напряжений в районе месторождений (объекта).

Такое районирование территории месторождения, подработанной территории (участка любого другого объекта) на блоки, определение характера подвижности по их границам (динамики взаимодействия), ориентировки и соотношения (величины) главных напряжений в блоках составляют существо предлагаемого способа оценки естественного напряженного состояния массива горных пород в земной коре [3].

С учетом полученных результатов составляются карты геодинамического районирования территории месторождений (участков любого объекта), которые, в свою очередь, являются основой при решении вопросов управления геодинамической безопасностью и эффективностью эксплуатации при освоении недр и земной поверхности.

 

 

Классификация участков земной коры по степени геодинамической  опасности

 

Рост масштабов человеческой деятельности, вмешательства в природу, все более обостряет проблему обеспечения геодинамической безопасности как самого человека, так и природных и инженерных объектов. Известно, что под опасностью понимают «состояние природы или техносферы, при котором возможно возникновение явлений и процессов, способных поражать людей, наносить материальный ущерб, разрушительно действовать на окружающую человека среду». Тогда под геодинамической опасностью можно понимать опасность, связанную с геодинамическим состоянием земной коры и техногенным внешним воздействием на недра и земную поверхность. Основной геодинамической опасностью в этом случае можно назвать такую, которая может привести к крупной аварии или катастрофе.

Геодинамическая опасность реализуется в такой форме, как аварии (инциденты) и чрезвычайные ситуации в недрах и на земной поверхности, связанные с динамическими проявлениями горного и газового давления, техногенными землетрясениями, оползневыми явлениями, другими геодинамическими явлениями (горные удары, внезапные выбросы, повреждения магистральных трубопроводов, линий электропередач, железнодорожного полотна, метрополитена, герметичности подземных сооружений, деформаций зданий и сооружений и др.).

На угольных месторождениях метод геодинамического районирования применялся во всех крупных бассейнах страны.

Применение  метода геодинамического районирования наместорождениях позволило по-новому взглянуть па структурную схему шахтных полей, установить причину и определить механизм динамических явлений, создать основу для разработки практических рекомендаций по безопасному ведению горных работ.

Основой постановки вопроса об управлении геодинамическим  состоянием массива горных пород  явились результаты широких комплексныхисследований, выполненных под руководством ВНИМИ за последние пятьдесят лет в процессе решения проблем прогноза и предотвращения горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений России, Украины, Казахстана, Узбекистана, Кыргызстана и Грузии.

Результаты  этих исследований позволили достаточно основательно изучить вопросы деформирования и разрушения массива горных пород при технологическом воздействии на него. На завершающем этапе этих комплексных исследований с привлечением многих данных наук о Земле стало возможным создание метода геодинамического районирования недр. Оценка, прогноз и контроль геодинамического состояния массива горных пород с помощью этого метода открыли реальную возможность постановки задачи управления массивом.

Решение проблемы целенаправленного управления массивом горных пород позволяет, в свою очередь, добиваться кардинального повышения безопасности, экономичности и экологической частоты освоения недр и земной поверхности.

Наибольший  опыт по управлению геодинамическим состоянием массива горных пород при разработке твердых полезных ископаемых получен на угольных шахтах. Это объясняется тем, что угольная промышленность с увеличением глубины разработки раньше других отраслей столкнулась с такими крупными проблемами, как горные удары, внезапные выбросы угля. Породы и газа, высокая газоносность угольных пластов, большие осложнения в поддержании горных выработок. Поэтому целесообразно ниже остановиться главным образом на опыте угольных шахт. По необходимости обращая внимание на значение рассматриваемых месторожденийполезных ископаемых.