Прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов

На правах рукописи

СУРУНОВ НИКОЛАЙ ФЁДОРОВИЧ ПРОГНОЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР НА НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ И МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Кемерово – 2006 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический уни верситет» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Иванов Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гоголин Вячеслав Анатольевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кочетков Валерий Николаевич Ведущая организация – ОАО «Кузбассгипрошахт»

Защита диссертации состоится « 19 » октября 2006 г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в Государственном образовательном учре ждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский гос ударственный технический университет».

Автореферат разослан « 2 » сентября 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, проф. Иванов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятель ности человека. Особенно сильно проявляется отрицательное воздействие этих процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. В шахтах и руд никах многих горнопромышленных районов мира происходят динамические яв ления, сопровождающиеся внезапными выбросами угля, породы и газа, горными ударами, техногенными землетрясениями. Подобные явления наблюдаются также на угольных месторождениях России, в том числе и в Кузбассе, они приводят к снижению рентабельности горнодобывающих предприятий и опасны для жизни и здоровья работающего персонала.

Существующая расчленённость земной коры на блоки различных масштаб ных уровней свидетельствует о том, что решение вопросов геодинамической без опасности при освоении недр и земной поверхности находится в области исследо ваний взаимодействия блочной структуры территории с техногенной деятельно стью человека. Повышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентра ция открытых и подземных горных работ и техногенное воздействие на природ ные процессы приводят к возрастанию числа опасных для людей динамических явлений и усилению их проявлений. Сложность и многоаспектность этих проблем требует комплексного подхода к их решению.

Обязательный учёт влияния геодинамических процессов и блочного строе ния Земли при проектировании, строительстве и эксплуатации горнодобывающих предприятий позволил бы избежать многих отрицательных последствий динами ческих явлений. Своевременный прогноз опасности и успешное предупреждение горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа возможны, если знать условия их возникновения. Для определения этих условий необходимы, прежде всего, информация о блоковом строении территории, количественная оценка дей ствующих в блоках сил, описание напряжённого состояния, вызванного этими си лами, и выяснение причин, нарушающих их равновесное напряжённое состояние.

В настоящее время отсутствуют сведения о блочном строении территорий промышленной и хозяйственной деятельности человека, разрабатываемых место рождений полезных ископаемых и участков проектируемых шахт, не произведена количественная оценка напряжённо-деформированного состояния блоков, не раз работан метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки при сейсмическом воздействии на блоки. Решение этих вопросов позволит повы сить безопасность и эффективность на всех этапах освоения месторождений по лезных ископаемых.

Поэтому прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов является актуальной научной и практической задачей.

Настоящая работа содержит результаты исследований, выполненных авто ром в 2000 – 2006 гг. в соответствии с заказом администрации Кемеровской обла сти по темам НИР № 103/2000 и № 320/2004.

Целью работы является разработка и обоснование метода прогноза влия ния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов на основе анализа карт блоковых структур региона и регистрации их современных движений.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей смещения блоков для прогноза влияния их геодинамической активности на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из уголь ных пластов, расположенных в пределах данных блоковых структур.

Задачи исследований:

– выявить блочное строение 1 – 4 рангов территорий угольных месторожде ний и участков вновь проектируемых шахт для определения напряжённо деформированного состояния блоков с целью повышения безопасности эксплуа тации горнодобывающих предприятий;

– оценить степень однородности деформаций блоков 4 ранга, приращения главных компонент деформаций и напряжений блоковых структур по результатам геодезических наблюдений их среднегодовых смещений;

– разработать метод прогноза влияния геодинамической активности блоко вых структур на газовыделение в действующие выработки шахт.

Методы исследований:

– метод морфоструктурного анализа рельефа земной поверхности для выяв ления закономерных связей между рельефом и внутренним строением Земли;

– метод геодинамического районирования для определения блочного строе ния территории месторождения;

– картографический анализ и сопоставление различных материалов, харак теризующих геодинамическое состояние территории месторождения;

– методы механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики при мо делировании газовыделения из угольных пластов и при оценке деформаций и напряжений блоковых структур.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

– блоковые структуры 4 ранга, выявленные на этапе проектирования шахт, являются основой возведения в безопасных местах наземных и подземных соору жений и выработок, а также рационального размещения пунктов наземной геоде зической сети для проведения повторных нивелировок и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков;

– деформации блоков 4 ранга являются однородными, а приращения вели чин главных напряжений блоков 4 ранга при их сейсмической активизации нахо дятся в пределах 10,8 – 12,0 МПа и сравнимы со значениями снимаемых при крупных землетрясениях напряжений, которые лежат в диапазоне 10 – 100 МПа;

– резонансные колебания блоков 4 ранга, являясь следствием различных сейсмических событий природного и техногенного характера, вызывают допол нительное выделение газа до 300 тыс. м 3 в горные выработки, увеличивая опас ность взрывов метана и загазования шахты, а колебания блоков более высокого ранга (1 – 3 рангов), могут приводить к выделению дополнительно десятков мил лионов кубических метров метана.

Научная новизна работы заключается:

– в разработке методики выявления блоковых структур и определении свойств и функций линий разломов при разномасштабных исследованиях блочно го строения территорий;

– в установлении однородности деформаций блоков 4 ранга, в оценке при ращения величин главных напряжений блоков 4 ранга, обусловленных их мед ленными вековыми тектоническими движениями;

– в выявлении влияния резонансных колебаний блоков 4 ранга под действи ем различных сейсмических событий природного и техногенного характера на дополнительное выделение газа в горные выработки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций подтверждается:

– использованием основных положений теории тектоники плит, достовер ность которой была подтверждена большим количеством экспериментальных ис следований и инструментальных наблюдений, выполненных рядом учёных;

– применением метода выявления блоковых структур по рельефу, положи тельно зарекомендовавшего себя при решении различных задач в некоторых от раслях народного хозяйства;

– хорошей сходимостью полученных результатов геодинамического райо нирования территории Егозово-Красноярского месторождения с изысканиями ПГО «Запсибгеолсъёмка» и данными шахтных наблюдений;

– использованием классических методов механики деформируемого твёрдо го тела и геомеханики.

Личный вклад автора заключается:

– в раскрытии значений применяемых в геодинамике недр терминов, позво ливших уточнить объект и предмет исследований;

– в усовершенствовании методических приёмов и способов выявления бло ковых структур по топографическим картам;

– в выявлении блочного строения 1 – 4 рангов территории Кемеровской об ласти, Егозово-Красноярского месторождения, Колмогоровского участка, поля первоочередной шахты;

– в определении участков шахтного поля, где высока вероятность возникно вения опасных динамических явлений при инженерных работах на шахте;

– в полученных результатах расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по данным геодезических измерений их среднегодовых смещений и результатах моделирования газовыделения из угольных пластов при сейсмиче ской активизации блоков;

– в разработке комплексной методики проектирования шахт и шахтных по лей на основе результатов геодинамического районирования месторождений.

Научное значение работы заключается в расширении представлений о напряжённо-деформированном состоянии блоковых структур в процессе их веко вых движений и оценке влияния сейсмических волн на газоопасность угольных пластов.

Практическая ценность работы:

– получены схемы блочного строения месторождения, использование кото рых существенно повышает обоснованность и надёжность практических решений как по размещению и строительству подземных и наземных сооружений шахтно го комплекса, так и по выбору способа, параметров и технологии разработки ме сторождений полезных ископаемых, вследствие чего повышается безопасность работ, улучшаются технико-экономические показатели горного предприятия;

– подтверждена однородность деформаций для блоков 4 ранга и произведе на количественная оценка напряжений на участках шахтных полей, попадающих в эти блоки, используя результаты геодезических измерений их среднегодовых смещений, способствующая принятию оптимальных проектов строительства и эксплуатации шахт и безаварийной отработке шахтных полей;

– получены результаты моделирования газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры;

– разработаны рекомендации по проектированию шахт и шахтных полей на основе учёта результатов геодинамического районирования, повышающие эффек тивность и безопасность освоения угольных месторождений.

Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были реа лизованы в следующих работах.

Временные методические указания по выявлению блоков земной коры по картам и расчёту главных компонент их деформации на основе измерений смещения пунктов геодезической сети. – Кемерово: КузГТУ, 2005. – 46 с. Данные указания приняты к производству институтами ОАО «Кузниишахтострой» и ОАО «Кузбассгипрошахт», а также предназначены для инженерно-технических работ ников шахт и разрезов, отраслевых институтов, занимающихся проблемами про ектирования и строительства горнодобывающих предприятий, проблемами про гноза газодинамических явлений и горных ударов, аспирантов и студентов гор ных специальностей.

Выявление блоков земной коры по топографическим картам. Методические указания к проведению практических занятий по курсу «Механика блочных структур» для студентов специальности 070600 «Физические процессы горного производства». Они используются в учебном процессе в ГУ КузГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докла дывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции в рамках выставки «Уголь России и майнинг» (Новокузнецк, 2004г.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2006 гг.), на ежегодных научно технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, 2000 – 2005 гг.).

Экспонат – научная разработка «Геодинамика и безопасность жизнедея тельности территорий», подготовленный с участием автора диссертации, награж дён Дипломом II степени Международной выставки-ярмарки «Экспо-Сибирь» (Кемерово, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, из ложена на 168 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 149 наименований, 3 приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю д.т.н., проф. В.В. Иванову за постоянное внимание и методическую помощь в проведении исследований, ценные советы, замечания и новые идеи, ре ализация которых способствовала успешному выполнению данной работы, к.т.н., доц. Бузуку Р.В. за консультации и полезное обсуждение результатов исследова ний.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы влияния блоковой структуры на шахтное строительство и разработку месторождений по лезных ископаемых.

Человеческое общество на протяжении своего существования постоянно сталкивается с опасными для человека природными явлениями (землетрясения, наводнения, тайфуны и др.). Оно также, нарушая течение природных процессов в ходе промышленного освоения территорий, само способствует возникновению ситуаций, наносящих ущерб и обществу, и природе (человеческие жертвы, эколо гические катастрофы, экономические потери). Особенно это наблюдается при освоении недр, где в обострённой форме проявляются многие проблемы, обу словленные блоковым строением земной коры, требующие своего разрешения.

В последние годы решением проблемы борьбы с динамическими явлениями на шахтах и рудниках занимается новая отрасль науки «Геодинамика недр» (И.М.

Петухов, И.М. Батугина), созданная на основе обобщения знаний наук о Земле, фундаментальных и технических наук.

В новой отрасли горной науки применяется метод геодинамического райо нирования участков земной коры, в основном разработанный И.М. Батугиной, КузПИ (КузГТУ) и И.М. Петуховым, ВНИМИ, который позволяет учитывать осо бенности геодинамики земной коры конкретного района. Суть метода заключает ся в изучении блочной структуры массива горных пород для выявления его тек тонически-напряженных зон и оценки напряженного состояния. На базе этих дан ных разрабатываются рекомендации и профилактические меры безопасного и эф фективного освоения недр, применяемые на стадиях проектирования, строитель ства и эксплуатации горных предприятий.

В методе геодинамического районирования выделяются три основных этапа исследований: 1 – выявление блочной структуры любой территории, в том числе, территории района месторождения полезного ископаемого;

2 – оценка напряжен ного состояния нетронутого массива в районе месторождения;

3 – разработка ре комендаций и профилактических мер по безопасному освоению недр на всех ста диях.

Идея метода геодинамического районирования базируется на теории текто ники литосферных плит. Немецким геофизиком А. Вегенером и американским геологом Ф. Тейлором была выдвинута гипотеза континентального дрейфа, в дальнейшем развитая другими учёными в теорию тектоники литосферных плит.

Согласно этой теории, земная кора разделена на подвижные литосферные плиты. Плиты смещаются относительно друг друга, образуя зоны растяжений, надвиги, поддвиги и сдвиги. В результате их взаимодействия и напряжений, воз никающих на границах плит, плиты дробятся на крупные мегаблоки. Последние по той же схеме и согласно напряжениям на их контактах, делятся на блоки меньших размеров. Таким путём можно получить блочное строение небольшой территории, динамическое взаимодействие блоков которой и будет определять естественное поле напряжений исследуемого района.

Метод геодинамического районирования первым этапом исследований предполагает выделение блочной структуры участка земной коры. Основным ме тодом выявления блоков является морфоструктурный анализ (МСА) рельефа.

Значительный вклад в развитие приёмов и методов МСА и их применение на практике внесли Л.Б. Аристархова, А.М. Берлянт, Н.Г. Волков, П.С. Воронов, С.С.

Воскресенский, В.Я. Гвин, И.П. Герасимов, К.И. Геренчук, Л.К. Зятькова, Ю.Н.

Кулаков, А.Н. Ласточкин, К.К. Марков, Ю.А. Мещеряков, Н.И. Николаев, А.В.

Орлова, Н.А. Ржаницын, А.П. Рождественский, Л.Е. Сетунская, Ю.Г. Симонов, В.П. Философов, В.А. Филькин, В.Е. Хаин и многие другие исследователи.

Изучением напряжений и оценкой напряженного состояния земной коры занимались М.В. Гзовский, В.А. Гоголин, С.С. Григорян, А.С. Григорьев, О.И.

Гущенко, А.В. Долицкий, Н.П. Есиков, В.Н. Кочетков, П.Н. Кропоткин, Р.М. Ло бацкая, П.Н. Николаев, Д.Н. Осокина, В.Д. Парфенов, С.И. Шерман и многие дру гие учёные.

На многие области деятельности человека оказывает мощное воздействие существующая расчленённость земной коры на блоки различных масштабных уровней. Это воздействие проявляется в разных формах через механизм участия блоков в геодинамических процессах. Ряд возникающих при освоении недр про блем напрямую связан с тем, что в основу технических и технологических расчё тов не была включена информация о блоковом строении территории.

В связи с планируемым созданием новых шахт в Кузбассе появляется воз можность в рамках предпроектных работ провести на этих территориях геодина мические исследования, направленные на повышение безопасности и эффектив ности функционирования горных предприятий. Первым, основным и обязатель ным этапом этих исследований является геодинамическое районирование Кузбас са. Оно выполняется по топографическим картам, масштабы которых постепенно увеличивают, одновременно уменьшая размеры рассматриваемой территории от угольного бассейна до горных отводов шахт. На картах укрупнённых масштабов с большей детальностью отображается геоморфологическое строение районируе мой площади, что позволяет выявлять блоковую структуру даже шахтных полей.

Вторая глава посвящена выявлению блоковых структур земной коры 1 – рангов на участках вновь проектируемых шахт.

Многочисленными исследованиями установлено, что земная кора состоит из множества различных по составу, форме, размеру и подвижности блоков, со всех сторон ограниченных тектоническими поверхностями – разломами, которые так же, как и блоки, крайне разнообразны по морфологии, геологической истории и роли в структуре земной коры. Вдоль межблоковых структур – разломов проис ходят относительные перемещения блоков. Блоки имеют различные размеры – от крупнейших геоблоков до блоков размером с месторождение, шахтное поле и ещё меньше. При этом относительные деформации и перемещения блоков по разло мам совершаются в различных режимах (растяжения и сжатия) и разных направ лениях. Следствием является сложное строение и крайне неравномерное напря жённое состояние любой территории.

Для выявления блоковых структур привлекаются разнообразные методы, обладающие своими преимуществами и недостатками. Применение методики А.В. Орловой, позволяющей выявлять блоковые структуры по рельефу, на наш взгляд, в большей мере отвечает требованиям промышленного освоения террито рий.

Методика А.В. Орловой основывается на теоретических положениях о ве дущей роли тектонических движений в формировании рельефа. Перемещение блоков происходит по разломам, а рельеф через изменение гипсометрического уровня поверхности отражает в себе сумму этих последовательных перемещений.

Используя определённым образом соотношение высот отдельных участков, учи тывая рисовку горизонталей и расположение гидросети, можно по топографиче ской карте выявить блоковые структуры той или иной территории.

Для выявления блоковых структур применяют топографические карты раз личных масштабов (предложено И.М. Батугиной). При этом блоки 1 ранга выде ляют по топографической карте масштаба 1 : 2 500 000, блоки 2 ранга – по топо графической карте масштаба 1 : 1 000 000 в пределах того блока 1 ранга, в кото ром расположена исследуемая территория. Блоки 3 ранга выделяют по топогра фической карте масштаба 1 : 100 000 в пределах блока 2 ранга, к которому при урочена исследуемая территория. Блоки 4 ранга выделяются по топографической карте масштаба 1 : 25 000 в пределах блока 3 ранга, в котором находится исследу емая территория.

Первой операцией при выделении блоков является определение минималь ной разницы высот, достаточной для отнесения двух соседних участков к разным блокам. В каждом конкретном районе за минимальную разницу высот hmin можно принять 0.1 (Hmax – Hmin), где Hmax – абсолютная максимальная высота рельефа, м;

Hmin – абсолютная минимальная высота рельефа (без учета врезов речных долин), м. На карте намечаются опорные высоты, к которым относятся отметки водораз делов, отчетливо выраженные горизонтальные площадки (ступени) на склонах, а также пониженные выровненные участки. Во внимание не принимаются отметки склонов и речных долин. Опорные высоты позволяют (с учетом минимальной разницы высот) оконтурить блоки линиями разломов, которые проводятся прямо линейными и плавно закругленными.

Выделение границ блоков осуществляется по следующим дешифрировоч ным признакам рельефа: подножию склонов;

последовательно размещенным спрямленным участкам речных долин;

перегибу склона, отделяющему тектониче скую ступень от более возвышенной части;

тяготению к определенной линии ру сел разных рек и ручьев, в результате чего, последовательно соединяя эти русла, можно получить одну линию;

приуроченности коленообразных изгибов речных долин к одной общей линии;

линейному расположению седловидных перегибов или уступов двух или нескольких соседних гряд;

цепочке озер или болот.

Наиболее достоверно выделяются блоки линиями разломов, которые прохо дят по разнородным признакам. Всей поверхности блока условно приписывают отметку наивысшего в его пределах участка.

Таким образом, исследуемая территория разбивается на блоки разной фор мы, разных размеров и разной абсолютной высоты. Полученная карта блоков яв ляется основой для реконструкции линий рельефообразующих разломов, опреде ления амплитуды для каждого из разломов, установления знака перемещения блоков по этим разломам.

На топографических картах ошибки планового положения контуров, вы званные погрешностями разного рода, включая генерализацию, находятся в сред нем в пределах от 0,5 до 0,75 мм, а погрешности определения длин и площадей при измерениях средней точности доходят до 3 – 5%, а углов – до 3°.

В результате проведённых построений и их представления в электронном виде получена карта-схема блоковых структур 1 ранга Кемеровской области. На этом этапе исследований определился блок 1 ранга, назовём его «Кузнецким», в котором находится Егозово-Красноярское месторождение угля (рис.1).

КЕМЕРОВО Условные обозначения Граница Кемеровской области Границы между блоками Предполагаемые границы между блоками Кузнецкий блок, в котором находится Егозово-Красноярское месторождение МАСШТАБ 1 : 2 500 Рис. 1. Схема блоков 1 ранга Геодинамическое районирование Кузнецкого блока в масштабе 1 : 500 показало, что он состоит из девяти блоков второго ранга. Перспективные для промышленных угольных разработок площади Колмогоровского участка Егозово Красноярского месторождения расположены в блоке № 5, который в дальнейшем будем называть «Колмогоровский».

Далее, контуры Колмогоровского блока 2 ранга и Кузнецкого блока 1 ранга были перенесены с карты масштаба 1 : 500 000 на топографическую карту мас штаба 1 : 100 000. Геодинамическому районированию подверглась вся площадь Колмогоровского блока. А на территории Кузнецкого блока выявлялись лишь хо рошо выраженные в рельефе отдельные линии разломов, их фрагменты и некото рые блоки 3 ранга. На построенной таким образом схеме показана расчленённость Колмогоровского блока блоками 3 ранга, и обозначены блоки, занятые полем шахты, по плану вводимой в эксплуатацию в первую очередь. Оценка точности и достоверности выявленного нами блочного строения территории производилась путём сопоставления результатов геодинамического районирования с геологиче скими материалами и результатами дешифрирования аэрокосмо– и радиолокаци онных фотоматериалов по этому району. Степень сходимости сопоставляемых материалов получилась достаточно хорошая, в среднем она составляет 85 – 100 %.

Блоковая структура 4 ранга Колмогоровского участка определялась в соот ветствие с методикой по топографической карте масштаба 1 : 25 000. Геологи, ис следовавшие этот район, считают, что на основном поле участка тектонических нарушений, в том числе и мелкоамплитудных, не ожидается и, согласно инструк тивно-нормативным документам, освоение данных площадей должно пройти без осложнений, вызываемых тектоникой. С учётом прогнозных геологических дан ных, не располагая сведениями о блочном строении этой территории, было запро ектировано размещение на шахтном поле вентиляционных и воздухоподающих стволов и промплощадки (рис. 2, 3).

Рис. 2. Схема блочного строения 4 ранга первоочередной шахты Колмогоровского участка Рис. 3. Промплощадка первоочередной шахты Колмогоровского участка Если объекты шахтного комплекса разместить, как указано в проекте, то они все окажутся на опасных участках шахтного поля (рис. 2, 3). Это приведёт к тому, что даже на стадии их строительства будут возникать аварийные ситуации.

А в процессе отработки месторождения на этих участках будут происходить и более опасные динамические явления. Поэтому, данные проектные решения нуж даются в серьёзной корректировке, учитывающей расположение опасных для от работки участков, выявленных геодинамическим районированием. Необходимо контуры шахтного поля привести в соответствие с границами блоков, а планиру емые объекты и сооружения шахтного комплекса вывести из зоны влияния раз ломов.

Прогнозные изменения состояния и положения блоков, обусловленные при родными процессами и будущей эксплуатацией шахты, можно определить путём вычисления главных компонент деформации и главных направлений деформации блоков по результатам геодезических измерений их смещений. Эти данные необ ходимы для выбора порядка и технологии отработки шахтного поля, которые предупреждают возникновение опасных газодинамических явлений.

В третьей главе изложены результаты разработки метода оценки деформа ций блоков 4 ранга и напряжений блоковых структур по результатам их среднего довых смещений.

По имеющимся в настоящее время в научной литературе данным деформа ции блоковых структур можно в первом приближении считать однородными. То гда вследствие того, что деформации вычисляются через первые производные от смещений по координатам точек земной поверхности, смещения должны быть линейными функциями координат.

Для пункта i в силу вышесказанных предположений относительно характе ра деформаций компоненты смещений можно записать в виде (1).

ui = e11 ·xi + e12 ·yi +e13 ·zi +a;

i = e21 ·xi + e22 ·yi +e23 ·zi +b;

(1) wi = e31 ·xi + e32 ·yi +e33 ·zi +c, u u u где e11 = и т.д.;

;

e12 = ;

e13 = ;

e21 = ;

e22 = ;

e23 = x z x z у y eij – тензор деформации блоковых структур.

Как видно из (1), для определения 12 неизвестных eij, a, b, c надо иметь систему двенадцати линейных уравнений, т.е. для определения главных деформа ций какого-либо блока необходимо иметь внутри блока геодезическую сеть, со стоящую, как минимум, из четырёх пунктов, расположенных в вершинах какого либо тетраэдра (пункты не должны лежать в одной плоскости). Пятый опорный пункт наблюдения, относительно которого измеряются смещения, находится вне изучаемого блока. Будем считать, что все eij, a, b, c найдены.

Из механики сплошных сред известно, что тензор eij описывает одновре менно вращение и чистую деформацию, т.е. не является симметричным. Выпол няя операцию симметрирования и альтернирования тензора eij, получим симмет ричный тензор aij, который характеризует относительное изменение длин и уг лов, т.е. определяет чистую деформацию, и кососимметричный тензор ij, опре деляющий вращение рассматриваемого блока как абсолютно твёрдого целого.

Главные значения деформаций можно найти из решения кубического урав нения (2) 3 – J1 · 2 + J2 · – J3 = 0, (2) где – J1,2,3 – инварианты тензора деформаций.

Согласно механике сплошных сред, угловые компоненты деформаций (3), характеризующие искажение углов между направлениями, параллельными соот ветствующим осям координат, находят из (1):

1 u e12 e21 1 w e23 e xy yz ;

;

2 y x 2 z y 2 1 u w e e xz 13 31. (3) 2 z x Относительное изменение объёма блока определяется по формуле (4).

J1 = e11 + e22 + e33. (4) При J10 наблюдается объёмное расширение блока, при J10 – сжатие.

Малый поворот блока как абсолютно твёрдого целого определяется векто ром: 1 · i 2 · j 3 · k, где i, j, k – единичные орты осей ox, oy, oz.

Компоненты этого вектора находят из выражений (5):

1 xoy e21 e12 ;

2 xoz e13 e31 ;

3 yoz e32 e23, 1 1 (5) 2 2 где xoy, xoz, yoz – углы поворота блока в плоскостях xoy, xoz, yoz, т.е. вокруг осей oz, oy, ox соответственно.

Многолетние геодезические наблюдения за современными движениями земной коры проводились на геодинамическом полигоне, расположенном на поле шахты «Распадская» (рис. 4).

х I С М- Звёздный Ю у Грозовой II I, II -1 -3 - - 1 - линия разлома;

2 - наблюдательные станции;

3 - выработанное пространство;

4 - номера блоков Рис. 4. Схема расположения пунктов (наблюдательных станций) на геодинамическом полигоне шахты «Распадская» Результаты измерения среднегодовых смещений опорных пунктов в проек циях на оси декартовой системы координат Oxyz приведены в табл. 1. Оценки главных направлений деформации, главных деформаций и разворотов, условно выделенных блоков I и II представлены в табл. 2 и 3.

Анализ результатов, приведённых в табл. 2 и табл. 3, показывает, что услов ное разделение на блоки I и II является не вполне правомерным, поскольку обе группы пунктов испытывают примерно одинаковые деформации и имеют близкие значения углов, которые составляют главные направления с осями выбранной си стемы координат Oxyz.

Таблица Смещение опорных пунктов геодезической сети Номер условно Среднегодовое Среднегодовое ное смещение, смещение, мм блока земной вертикальное горизонталь выделенного Опорный Компоненты Азимут, пункт коры град мм смещений, мм ui vi wi М-26 –8,0 80 –8, +19,6 +3,40 +19, –0,6 280 –19,50 –0, 6646 +19,8 +3, I –4,6 295 –10,34 –4, 7849 +11,4 +4, 0254 +5,0 +5,0 +4,33 +2,50 +5, –2,3 76 –2, 8777 +19,9 +4,82 +19, –4,0 21 –4, Грозовой +8,3 +7,75 +2, II –4,7 50 –4, Звёздный +7,3 +4,69 +5, –7,5 290 –4,70 –7, 0906 +5,0 +1, Таблица Главные направления деформаций и развороты блоков земной коры на поле шахты «Распадская» Угол I Угол I Угол I Угол II Угол II Угол II Углы разворота гл. гл. гл. гл. гл. гл.

блоков, рад напр. напр. напр. напр. напр. напр.

с осью с осью с осью с осью с осью с осью Вокруг Вокруг Вокруг Ox, Oy, Oz, Ox, Oy, Oz, оси Ox оси Oy оси Oz град град град град град град –2,2·10-6 –8,1·10-6 8,3·10- 62 90 28 90 0 –2,0·10-6 –7,9·10-6 8,1·10- 60 90 30 89 0 Доверительные границы главных среднегодовых деформаций были опреде лены согласно t – критерию Стьюдента и в процентах.

Таблица Главные среднегодовые деформации на поле шахты «Распадская», их доверительные границы согласно t –критерию Стьюдента и максимальные ошибки в процентах Максимальная Но 1, 2, 3, ошибка, % мер отн. ед. отн. ед. отн. ед.

блока mx my mz 5,69·10-4 ±8,0·10-6 –5,70·10-4 ±3,3·10-5 –3,90·10-5 ±1,3·10- I 1,4 5,8 33, 6,00·10-4 ±1,3·10-5 –5,50·10-4 ±3,2·10-5 –4,00·10-5 ±1,3·10- II 2,2 5,8 32, Близкие значения деформаций I и II блоков (табл. 3), полученные с помо щью 8 наблюдательных пунктов, свидетельствуют об однородности деформаций.

Расчёты и описание напряжённого состояния горных пород осуществляются многочисленными и разнообразными методами. В этих методиках не рассматри вается возможность определения дополнительных напряжений, параметры кото рых непременно должны учитываться на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых.

Приведённые в табл.3 данные позволяют оценить главные и средние допол нительные напряжения для блоков шахты «Распадская» при их сейсмической ак тивизации. Расчёт главных дополнительных напряжений производился по форму лам закона Гука.

Главные и средние дополнительные напряжения для блоков I и II шахты «Распадская», рассчитанные при значениях E = 2,5·1010, Па и 0,27, представ лены в табл. 4.

Таблица Главные дополнительные напряжения, обусловленные сейсмической активизацией блоков земной коры поля шахты «Распадская» 1, 2, 3, ср, Номер блока МПа МПа МПа МПа –11,7 –1,2 –0, I 10, –10,8 –0, II 12,0 0, Такое приращение напряжений в блоках (табл. 4) сравнимо со снимаемым напряжением при землетрясениях. Величина сброшенного напряжения при силь ных землетрясениях, как показывают расчеты Д. Тёркота и Дж. Шуберта, лежит в диапазоне 10 – 100 МПа. Дополнительные напряжения при подвижках блоков, вызванные природными и техногенными причинами, явились причиной горного удара тектонического типа, произошедшего на шахте «Распадская» в период про ведения геодезических наблюдений. Исходя из наших расчётов, этот горный удар легко было спрогнозировать на основе геодезических измерений смещения бло ковых структур в рассматриваемый период времени.

В четвёртой главе представлена разработка метода прогноза влияния гео динамической активности блоковых структур на газовыделение в действующие выработки шахт.

В сейсмоактивных районах блоки испытывают как горизонтальные, так и вертикальные смещения. Рассмотрим систему сил, действующих на блок, считая его для простоты расчётов прямоугольным параллелепипедом (рис. 5).

Fu – импульсная сила нагрузки;

Rc – сила вязкого сопротивления;

Fтр – суммарная сила трения, действующая на боковую поверх ность блока;

Н – высота блока, м;

y – смещение блока от положения равно весия, м Рис. 5. Схема к расчёту колебаний блока при импульсных воздействиях Суммарную силу трения, действующую на боковую поверхность блока, находим по формуле f d g a H Fmp, где fd – динамический коэффициент трения;

– плотность горных пород, кг/м3;

– плотность воды в порах разлома, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

a – размеры блока по горизонтали, м;

H – высота блока, м.

Применяя условие равновесия блока, находим максимальную силу Fumax, способную сдвигать блок вдоль разломов:

Fumax 2 f s g a H 2 g a 2 H, (6) где fs – статический коэффициент трения.

Полагая, что начало координат располагается на поверхности земли (см.

рис. 5) и, обозначая смещение блока от положения равновесия буквой y, запи шем уравнение движения блока в виде:

m 4Fmp Q Rc Fumax t t, y (7) где (t) = (1, если t 0 и 0, если t 0) – функция Хэвисайда;

Q g a 2 H c y – сила, действующая на подошву блока;

c – жёсткость пород основания блока, н/м2;

Rc y, – коэффициент вязкого сопротивления на границе разломов, кг/с;

m = H a2 – масса блока.

sin Решение уравнения (8) yt e bt sin k1t, (8) k1k где b 2Ha 2, с-1;

k1 k 2 b 2 ;

k с Ha 2 – собственная частота коле баний блока, с-1;

2 f d 1 w gH a ;

gf s 1 w gH a 2 ;

– сдвиг фа зы, определяемый из начальных условий задачи, показывает, что по логарифми ческому декременту затухания колебаний можно найти коэффициент вязкого со противления, а по величине условного периода колебаний T1 2 k1 – жёст кость пород основания c. По остаточному смещению блока sin k1k можно оценить динамический коэффициент трения на берегах разломов fd.

Газосодержание Vg углей определяется двумя составляющими – объёмом сорбированного газа Vs в единице объёма угля и объёмом свободного газа Vf, содержащегося в полостях, трещинах и порах:

Vg = Vs + Vf, м3/м3. (9) Как правило, объём сорбированного газа определяется законом Лэнгмюра:

abP Vs s s, (10) 1 bs P где P – давление газа, н/м2;

as – предельное газосодержание сорбированного га за при высоких давлениях.

Относительное изменение объёма блока равно:

ymax a 2 ymax 2, (11) aH H где a – продольный и поперечный размеры блока, м;

H – высота блока, м;

ymax – максимальное смещение блока при резонансных колебаниях, м.

Максимальный дополнительный объём газа Q, который переходит в сво бодное состояние при резонансных колебаниях блока, можно оценить следующим образом:

n Q= mi a 2 cos a s, м3, (12) i1 n m где – угол падения пластов в свите, расположенных в пределах блока;

– i i суммарная мощность угольных пластов в свите, попадающих в рассматриваемый блок, м.

Уравнение вынужденных колебаний блока запишется следующим образом:

2 f 1 / gH T A t t t T 2by k 2 y d y a 3 t T t 2T t T, (13) 2 где T – период импульсной нагрузки, с;

fd – динамический коэффициент трения на границах разломов;

(t) – единичная функция Хэвисайда.

Представим периодическую функцию в правой части уравнения (13) её раз ложением в ряд Фурье и оставим в этом выражении наиболее существенную – первую форму колебаний (первую гармонику):

f t A 2A sin t. (14) Уравнение (13) имеет теперь следующий вид:

2 f 1 / gH A 2A 2by k 2 y sin t (15) где d y.

2 a Максимальная динамическая составляющая амплитуды резонансных коле баний блока равна:

2 g 2 Hf s 1 / / a 1Ha A ymax, (16) b c где – коэффициент вязкого сопротивления, кг/с;

k, Гц;

c – a 2 H коэффициент жёсткости пород основания блока, который может быть оценен по Ea формуле c, где E – модуль Юнга пород основания блока, Па.

H В угольных шахтах источниками газовыделения служат разрабатываемые, а также смежные подрабатываемые или надрабатываемые пласты угля и пропласт ки, вмещающие породы. Выделяются газы через свободную поверхность пласта и из отбитого угля. Прогноз ожидаемого газовыделения осуществляется в настоя щее время расчётным методом по природной газоносности пластов с учётом при нятой системы разработки и порядка отработки пластов в свите. Полученный та ким образом прогноз не содержит газовую составляющую, образуемую при тек тонических подвижках.

Для условий шахты «Распадская» была произведена оценка возможного до полнительного газовыделения из угольных пород и пластов при сейсмическом воздействии на блоки. Нами предлагается метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки, который учитывает раздробленность шахтно го поля на блоки, испытывающие различной природы силовые нагрузки. В рас чётную формулу, кроме природной газоносности и физико-механических свойств горных пород и углей, вводятся геометрические параметры блока и суммарная мощность угольных пластов, находящихся в этом блоке.

Различные сейсмические события природного и техногенного характера приводят к резонансным колебаниям блоков, в силу которых выделяется допол нительный объём газа из угольных пород и пластов. Расчёт объёмов дополни тельного газовыделения вычислялся по формуле g 2Hf s 1 w a 1 as a где as cH expbH.

mi a 2 cos, Q i 1, b E Исходные данные о физико-технических свойствах и газоносности уголь ных пород и пластов шахты «Распадская», необходимые для расчёта объёмов до полнительного газовыделения при сейсмическом воздействии на блоки, были взя ты из соответствующих справочников (табл. 5).

Таблица Исходные данные для расчёта объёмов дополнительного газовыделения = 2574, кг/м3 0 = 1425, кг/м3 w = 1000, кг/м = 0,27 в = 0,8, с- s = 0, Е = 2,5·104, МПа E= 2,5·1010, Па b = –3,017·10-3 с = 2,137·10- а = 1, Н = 150 м;

Н = 500 м;

Н = 600 м;

а а а Н = 5504,28 (м);

Н = 43604,31 (м);

Н = 59654,33 (м);

exp(b·150 м) = 0,636 exp(b·500 м) = 0,221 exp(b·600 м) = 0, mi = 10 м mi = 15 м mi = 20 м = 9 а = 500 м а = 600 м cos = 0, Таблица Объём газа, который может дополнительно выделиться из сейсмически активизированных блоков разных размеров mi – суммарная Q – дополнительное Н – высота а – размеры блока мощность угольных блока, м по горизонтали, м газовыделение, м пластов в свите 10 22115, 150 500 15 32517, 20 43356, 10 92712, 500 500 15 139069, 20 185425, 10 135539, 600 600 15 203308, 20 271078, Расчёт дополнительного газовыделения производился для блоков разных размеров, содержащих суммарные мощности угольных пластов 10, 15 и 20 мет ров. Объёмы возможного дополнительного выделения газов из блоков при их сей смических подвижках приведены в табл. 6.

Дополнительное выделение больших объёмов газа (табл. 6), являясь произ водной сейсмических подвижек блоков, увеличивает вероятность воспламенения метана и других газодинамических явлений. Поэтому учёт дополнительного газо выделения из угольных пород и пластов блоков необходим и важен при проекти ровании и отработке угольных месторождений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содер жится решение задачи по прогнозу влияния геодинамической активности блоко вых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановы деление из угольных пластов, обеспечивающее повышение эффективности и без опасности горных работ и имеющее существенное значение для угольной про мышленности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следу ющему.

1. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверх ности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятельности человека. По вышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентрация открытых и подземных работ и техногенное воздействие на природные процессы приводит к возрастанию числа опасных для людей динамических явлений и усилению их проявлений. Решение вопросов геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности находится в области исследований взаимодействия блоч ной структуры территории с техногенной деятельностью человека, поскольку расчленённость земной коры на блоки различных масштабных уровней характер на для всей литосферы.

2. В районах предполагаемого строительства новых шахт перед их проекти рованием необходимо выполнить геодинамическое районирование этой террито рии и получить схемы её блочного строения 1 – 4 рангов. Схемы служат основой рационального планирования, проведения различных инженерных изысканий и подготовки более объективных исходных данных для проектирования, организа ции технологического процесса отработки месторождения и мониторинга за гео динамическим состоянием недр. Использование результатов геодинамического районирования позволяет повысить надежность проектных решений по размеще нию и строительству объектов шахтного комплекса, улучшить технологию и ка чество отработки месторождения, разработать комплекс дополнительных мер по обеспечению безопасной эксплуатации горнодобывающего предприятия.

3. Выявление блоковых структур 4 ранга на этапе проектирования шахт позволяет определить безопасные места возведения наземных и подземных со оружений и выработок, а также рационально разместить пункты наземной геоде зической сети для проведения повторных нивелировок и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков.

4. Относительные деформации и перемещения блоков по разломам можно определить геодезическим методом. По результатам геодезических измерений вычисляют главные компоненты деформации и главные направления деформации блоков. Полученные с помощью 8 наблюдательных пунктов близкие значения деформаций I и II блоков (табл. 3.) свидетельствуют об однородности деформаций блоков. Ранее, Есиковым Н.П. была выдвинута гипотеза об однородности дефор маций мегаблоков, которая, по нашим исследованиям, также верна и для блоков ранга.

5. Приращения величин главных напряжений блоков шахты «Распадская» при их сейсмической активизации находятся в пределах 10,8 – 12,0 МПа и срав нимы со значениями снимаемых при крупных землетрясениях напряжений, кото рые лежат в диапазоне 10 – 100 МПа;

6. Резонансные колебания блоков 4 ранга, являясь следствием различных сейсмических событий природного и техногенного характера, вызывают допол нительное выделение газа до 300 тыс. м 3 в горные выработки, увеличивая опас ность взрывов метана и загазования шахты, а колебания блоков более высокого ранга (1 – 3 рангов), могут приводить к выделению дополнительно до нескольких десятков миллионов кубических метров метана.

7. Комплексный метод оценки геодинамической активности и напряжённо деформированного состояния участков шахтных полей на основе их геодинами ческого районирования, геодезических измерений смещений блоковых структур земной коры и учёта дополнительного газовыделения из блоков при сейсмиче ских событиях обеспечивает эффективное, грамотное, предсказуемое и безопас ное освоение месторождений полезных ископаемых.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах 1. Сурунов, Н.Ф. Блочная структура некоторых шахтных полей Донбасса / Н.Ф. Сурунов // Прикладные геодинамические исследования: сб. науч. тр. / Куз бас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 1995. – С. 78 – 82.

2. Сурунов, Н.Ф. О некоторых вопросах метода геодинамического райони рования месторождений / Н.Ф. Сурунов // Прикладные геодинамические исследо вания: сб. науч. тр. / Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 1995. – С. 32 – 50.

3. Иванов, В.В. Оценка главных компонент деформаций блоков земной ко ры по результатам геодезических измерений её современных движений / В.В.

Иванов, Р.В. Бузук, Н.Ф. Сурунов // Вестник КузГТУ. – 2000. – № 4. – С. 32–35.

4. Иванов, В.В. Геодинамическое районирование дорожной сети Кемеров ской области / В.В. Иванов, Р.В. Бузук, Н.Ф. Сурунов, В.Н. Ардеев, А.И. Должи ков // Вестник КузГТУ – 2002. – № 1. – С. 3 – 7.

5. Иванов, В.В. Оценка точности выявления блоковых структур по картам / В.В. Иванов, Р.В. Бузук, Н.Ф. Сурунов, В.Н. Ардеев // Вестник КузГТУ – 2002. – № 2. – С. 3 – 5.

6. Иванов, В.В. Геодинамический аспект освоения месторождений полезных ископаемых / В.В. Иванов, Н.Ф. Сурунов, А.В. Столярчук // Вестник КузГТУ – 2004. – № 6.2. – С. 17 – 20.

7. Иванов, В.В. Оценка дополнительных напряжений блоков земной коры, обусловленных её современными движениями / В.В. Иванов, Н.Ф. Сурунов, Р.В.

Бузук // Вестник КузГТУ – 2006. – № 3. – С. 11 – 12.

8. Иванов, В.В. Моделирование дополнительного газовыделения из уголь ных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры / В.В. Иванов, Н.Ф. Сурунов // Вестник КузГТУ – 2006. – № 3. – С. 7 – 10.

Подписано в печать Формат 6484/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Печ. Л. 1. Тираж 100 экз. Заказ ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.