Введение к работе
Актуальность работы. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятельности человека. Особенно сильно проявляется отрицательное воздействие этих процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. В шахтах и рудниках многих горнопромышленных районов мира происходят динамические явления, 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 масштабных уровней свидетельствует о том, что решение вопросов геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности находится в области исследований взаимодействия блочной структуры территории с техногенной деятельностью человека. Повышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентрация открытых и подземных горных работ и техногенное воздействие на природные 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 строения Земли при проектировании, строительстве и эксплуатации горнодобывающих предприятий позволил бы избежать многих отрицательных последствий динамических 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 действующих в блоках сил, описание напряжённого состояния, вызванного этими силами, и выяснение причин, нарушающих их равновесное напряжённое состояние.
В настоящее время отсутствуют сведения о блочном строении территорий промышленной и хозяйственной деятельности человека, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и участков проектируемых шахт, не произведена количественная оценка напряжённо-деформированного состояния блоков, не разработан метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки при сейсмическом воздействии на блоки. Решение этих вопросов позволит повысить безопасность и эффективность на всех этапах освоения месторождений полезных 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 автором в 2000 - 2006 гг. в соответствии с заказом администрации Кемеровской области по темам НИР № 103/2000 и № 320/2004.
Целью работы является разработка и обоснование метода прогноза влияния 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 угольных пластов, расположенных в пределах данных блоковых структур.
Задачи исследований:
выявить блочное строение 1-4 рангов территорий угольных месторождений и участков вновь проектируемых шахт для определения напряжённо-деформированного состояния блоков с целью повышения безопасности эксплуатации 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 блоковых структур на газовыделение в действующие выработки шахт.
Методы исследований:
метод морфоструктурного анализа рельефа земной поверхности для выявления закономерных связей между рельефом и внутренним строением Земли;
метод геодинамического районирования для определения блочного строения территории месторождения;
картографический анализ и сопоставление различных материалов, характеризующих геодинамическое состояние территории месторождения;
методы механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики при моделировании 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 сооружений и выработок, а также рационального размещения пунктов наземной геодезической сети для проведения повторных нивелировок и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков;
деформации блоков 4 ранга являются однородными, а приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга при их сейсмической активизации находятся 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 в горные выработки, увеличивая опасность взрывов метана и загазования шахты, а колебания блоков более высокого ранга (1-3 рангов), могут приводить к выделению дополнительно десятков миллионов 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 приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга, обусловленных их медленными вековыми тектоническими движениями;
в выявлении влияния резонансных колебаний блоков 4 ранга под действием различных сейсмических событий природного и техногенного характера на дополнительное выделение газа в горные выработки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием основных положений теории тектоники плит, достоверность которой была подтверждена большим количеством экспериментальных исследований и инструментальных наблюдений, выполненных рядом учёных;
применением метода выявления блоковых структур по рельефу, положительно зарекомендовавшего себя при решении различных задач в некоторых отраслях народного хозяйства;
хорошей сходимостью полученных результатов геодинамического районирования территории Егозово-Красноярского месторождения с изысканиями ПГО «Запсибгеолсъёмка» и данными шахтных наблюдений;
использованием классических методов механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики.
Личный вклад автора заключается:
в раскрытии значений применяемых в геодинамике недр терминов, позволивших уточнить объект и предмет исследований;
в усовершенствовании методических приёмов и способов выявления блоковых структур по топографическим картам;
в выявлении блочного строения 1-4 рангов территории Кемеровской области, Егозово-Красноярского месторождения, Колмогоровского участка, поля первоочередной шахты;
в определении участков шахтного поля, где высока вероятность возникновения 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 сейсмической активизации блоков;
в разработке комплексной методики проектирования шахт и шахтных полей на основе результатов геодинамического районирования месторождений.
Научное значение работы заключается в расширении представлений о напряжённо-деформированном состоянии блоковых структур в процессе их вековых движений и оценке влияния сейсмических волн на газоопасность угольных пластов.
Практическая ценность работы:
получены схемы блочного строения месторождения, использование которых существенно повышает обоснованность и надёжность практических решений как по размещению и строительству подземных и наземных сооружений шахтного комплекса, так и по выбору способа, параметров и технологии разработки месторождений полезных ископаемых, вследствие чего повышается безопасность работ, улучшаются технико-экономические показатели горного предприятия;
подтверждена однородность деформаций для блоков 4 ранга и произведена 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 эффективность и безопасность освоения угольных месторождений.
Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были реализованы 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 работников шахт и разрезов, отраслевых институтов, занимающихся проблемами проектирования и строительства горнодобывающих предприятий, проблемами прогноза газодинамических явлений и горных ударов, аспирантов и студентов горных 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 докладывались 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 жизнедеятельности территорий», подготовленный с участием автора диссертации, награждён 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, изложена 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, реализация которых способствовала успешному выполнению данной работы, к.т.н., доц. Бузуку Р.В. за консультации и полезное обсуждение результатов исследований.
