ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 5, с. 425-433
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 622.831:624.131
ТЕХНОГЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ - ОПАСНЫЙ АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ В ВЫСОКОНАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ
© 2015 г. Н. Н. Мельников, А. А. Козырев, В.И. Панин
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук (ГоИ КНЦ РАН), Ферсмана, 24, г. Апатиты Мурманской обл., 184209 Россия. E-mail: trout@goi.kolasc.net.ru
Поступила в редакцию 20.10.2014 г.
Приведены модели сейсмогенеза, некоторые общесистемные законы и закономерности, представлено их значение в понимании прогноза и профилактики техногенной сейсмичности. Показаны пути снижения геодинамических рисков в геологической среде природно-техногенных и горнотехнических систем.
Ключевые слова: модель сейсмогенеза, общесистемные законы и закономерности, техногенная сейсмичность, геодинамический риск, горнотехническая система.
ВВЕДЕНИЕ
При ведении горных работ в высоконапряженных массивах (разработка удароопасных месторождений, гидротехническое и подземное строительство) может проявляться техногенная сейсмичность - горные удары и техногенные землетрясения. Преодоление этой острейшей проблемы актуально как для многих регионов России, так и для ряда горнорудных провинций Австралии, ЮАР, Канады, США, Южной Америки и др.
Необходимо отметить, что техногенная или "наведенная" сейсмичность есть наиболее яркое отражение взаимодействия геофизических полей различной природы, раскрытие механизма которого - одна из ключевых проблем современной геофизики [13].
Техногенная сейсмичность теснейшим образом связана с сейсмичностью природной (тектонической). Отметим, что в последние годы идет активная дискуссия о перспективах средне- и краткосрочного прогноза землетрясений [22].
"Постепенно во всем мире работы по прогнозу землетрясений свертываются, прекращается финансирование как теоретических исследований, так и наблюдений на геодинамических полигонах, а высвобождающиеся научные силы переключаются на более надежные работы по оценке сейсмического риска и сейсмического районирования, что ставит своей конечной целью определение, с
каким запасом прочности надо строить сооружения в сейсмоактивных районах" [6]. Однако это не отменяет необходимость поиска предвестников сейсмической опасности, и исследования в этом направлении активно продолжаются [7, 25].
Аналогичная ситуация складывается и в решении проблемы техногенной сейсмичности, которая определяет геодинамические опасности при ведении горных работ в высоконапряженных массивах. Подходы к оценке геодинамической опасности при ведении горных работ и подземном строительстве разрабатываются в Горном институте Кольского научного центра РАН. На основе моделей эволюции сложных нелинейных систем предлагается сосредоточить основное внимание не на пространственно-временном прогнозе отдельного динамического события, а на оценке пороговых значений параметров эволюции напряженно-деформированного состояния (НДС) геологической среды в природно-техногенной системе (ПТС), определяющих адаптационные возможности среды и уровень геодинамической опасности.
РАБОЧИЕ МОДЕЛИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Как тектоническая сейсмичность является отражением эволюционных процессов в "живой" Земле [2, 3], так и техногенная сейсмичность есть реакция геологической среды в природно-техно-
генных и горнотехнических системах на крупномасштабные горные работы, поскольку "...все более обоснованными становятся взгляды на природный комплекс в целом как на единый громадный живой организм, обладающий способностью к реагированию на ответные неблагоприятные для него реакции" [1].
С позиций универсального эволюционизма академика Н.Н. Моисеева [12], эволюцию напряженно-деформированного состояния геологической среды в очаге динамического события можно представить в виде триады: адаптация-изменчивость-отбор (рис. 1). В точке бифуркации разрядка напряжений может произойти либо в виде медленных деформаций, либо быстрым сбросом в виде динамического явления - землетрясения, энергия которого определяется размерами вовлекаемых в процесс блоков.
Эта модель иллюстрирует механизмы самоорганизации геологической среды в процессе ее эволюции: чередование стадий концентрации и релаксации напряжений в точке бифуркации, что приводит к образованию новых (диссипативных)
Рис. 1. Графические модели развития сейсмического процесса: а - в отдельном очаге; б - в природно-техногенной системе.
структур. Энергетическая подпитка осуществляется в случае тектонической сейсмичности за счет процессов в ядре и мантии Земли, в случае техногенной - наложением техногенной нагрузки.
Таблица 1. Классификация геодинамических явлений в рудниках
Наименование геодинамического Этап развития опасной ситуа- Сущность процесса Уровень геодинамического риска
явления ции
Шелушение стреля- Угроза Постепенное разрушение породы на поверхности Низкий
ние, динамическое выработки на отдельные пластинки, из-за отслоения
заколообразование которых места шелушения всегда выглядят "свежими"; отскакивание с обнажений выработки пластин пород различных размеров со звуком, напоминающим выстрел; стреляние с постепенным прорастанием трещин в течение длительного времени, образующиеся пластины
Микроудар Инцидент повторяют по форме контур выработки Мгновенное хрупкое разрушение целика или части массива горных пород с выбросом породы в горные выработки без нарушения технологического процесса и Низкий
Горный удар Авария травмирования людей Мгновенное хрупкое разрушение целика или части массива пород с выбросом породы в горные выработки с нарушением крепи, повреждением машин и механиз- Средний
Горно-тектонический Катастрофа мов и нарушением технологического процесса Мгновенная подвижка крупного блока пород по тек- Высокий
удар (техногенное тоническому нарушению или прорастание значитель-
землетрясение) ной трещины в массиве с образованием оперяющих трещин, сопровождаемых серией горных ударов и микроударов, разрушением выработок и крепи на больших площадях, нарушением или остановкой технологического процесса, образованием пылевого облака и воздушной волны, резким звуком или гулом
На эволюцию геологической среды в ПТС оказывают влияние множество случайных и детерминированных факторов [20]. Однако в процессе эволюции любой сложной системы выделяют несколько главных параметров, называемых параметрами порядка, или управляющими параметрами. В качестве внутренних параметров порядка геологической среды в ПТС, определяющих ее геомеханическую эволюцию, следует принимать показатели ее напряженно-деформированного состояния, т.е. напряжения и деформации, в качестве внешних - объемы и параметры горных работ.
Самая благоприятная стадия для работающего предприятия - стадия адаптации, в которой необходимо поддерживать систему как можно дольше. Но изменения в геологической среде при работе предприятия неизбежны, и иногда они могут иметь катастрофический характер. Самая опасная - стадия отбора, когда вследствие бифуркационных механизмов возможны кризисные состояния, опасные в том числе и по динамическим проявлениям горных ударов и техногенных землетрясений как в пределах рабочей зоны рудников, так и в границах их геомеханических пространств. Для определения пространственно-временных параметров этой стадии и для управления геомеханическими процессами в ней разработаны соответствующие системы геодинамического мониторинга, экспертные системы оценки и прогноза удароопасной ситуации и способы снижения геодинамического риска.
Величина геодинамического риска может варьировать в широких пределах, она определяется в основном мощностью динамического явления. По уровню этого риска и в соответствии со стадиями возникновения и развития опасных ситуаций в табл. 1 приведена классификация динамических явлений на апатитовых рудниках Кольского полуострова, которая может представлять интерес для оценки геодинамической обстановки на любом другом горнодобывающем предприятии или объекте подземного строительства.
В табл. 1 горно-тектонический удар и техногенное землетрясение авторы объединили в одну группу, как принято в инструктивных документах по безопасному ведению горных работ на ударо-опасных месторождениях России. Действительно, в российской горнотехнической литературе не обозначена четкая граница между этими двумя понятиями: в обоих случаях понимают мощное динамическое событие с катастрофическими последствиями для рудников.
АКТУАЛЬНЫЕ ОБЩЕСИСТЕМНЫЕ ЗАКОНЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ
Для определения стратегии и тактики прогноза и профилактики техногенной сейсмичности наряду с известными свойствами геофизической среды [13] представляется целесообразным напомнить некоторые общесистемные законы и закономерности применительно к горнотехническим системам [16].
Во-первых, в настоящее время можно считать аксиомой, что техногенная сейсмичность является отражением эволюции НДС геологической среды в ПТС [9].
Во-вторых, для многих систем характерна иерархическая структура, особенно для литосферы Земли. Типичный пример - Хибинский массив, где имеются структуры всех рангов и разной степени активности [18]. Иерархическая структура обусловливает наличие слабых мест в системе, поэтому общеизвестен факт, что большинство сейсмических событий приурочены к различным тектоническим структурам.
В-третьих, для открытых неравновесных систем характерно трехэтапное развитие системы, при этом на этапах изменчивости и отбора большое значение могут иметь различного рода случайные события, выполняющие роль триггер-эффекта, влияние которых будет тем больше, чем в более неравновесном состоянии находится система.
В-четвертых, цикличность геофизических процессов [28] в сочетании с ритмичностью горного производства и подземного строительства - важный фактор нестабильности системы. Известно, что мощные технологические взрывы, особенно отбойка при очистных работах, оказывают значительное влияние (эффект "потряхивания") на геодинамический режим геологической среды в горнотехнической системе. В зависимости от степени неравновеснос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.