ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
И БЕЗОПАСНОЕ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЕ

В первой декаде октября в Доме ученых СО РАН состоялась международная конференция «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», организованная Институтом горного дела СО РАН и сибирской секцией Научного совета РАН по проблемам горных наук. О ее итогах рассказывают член-корреспондент РАН В. Опарин и ученый секретарь Оргкомитета конференции, доктор технических наук А. Леонтьев.

Г. Шпак,
«НВС»

Очередная встреча геомехаников России была пятнадцатой по счету за последние тридцать пять лет. Традиционно на ней обсуждались современные достижения в области контроля, диагностики и прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при добыче полезных ископаемых.

В работе конференции приняли участие представители Российской Академии наук, Национальных Академий наук Казахстана, Киргизии, отраслевых научно-исследовательских институтов, вузов и университетов нашей страны, а также специалисты исследовательских групп крупнейших горнопромышленных предприятий.

Тематика представленных пленарных и стендовых докладов отражала три направления исследований:

— современные методы и технические средства контроля, диагностики и прогнозирования напряженно-деформированного состояния породных массивов;

— геодинамические поля и процессы, вызванные техногенной деятельностью, модели массива горных пород и методы их идентификации;

— теория прогноза и предотвращения техногенных катастроф; управление геомеханическими процессами при освоении недр.

Суммируя итоги конференции, кратко остановимся на некоторых обобщающих суждениях, высказанных участниками дискуссий, а также отметим научную и практическую значимость исследований, выполненных в последние годы в ряде исследовательских центров.

Современные движения

Со второй половины ХХ века в науках о Земле происходит радикальный пересмотр взглядов на роль и место современных геодинамических явлений как в фундаментальных проблемах, так и в прикладных задачах, связанных с недропользованием. Причем, под недропользованием подразумевается не только добыча, переработка и транспортировка полезных ископаемых, а вся обширная сфера человеческой деятельности, в которой массив горных пород и его земная поверхность выступают в качестве неотъемлемого важнейшего инженерно-геологического компонента.

Трансформацию представлений о степени современной подвижности земной коры, пожалуй, следует отнести к появлению в начале ХХ века гипотезы А. Вегенера о дрейфе континентов, которая уже во второй половине столетия обрела статус теории тектоники литосферных плит. По своей сути эта теория впервые «сдвинула» литосферные плиты и материки в горизонтальной плоскости и наделила их современными движениями. Появление спутниковых технологий геодезии позволило экспериментально определить численные значения этих перемещений. В настоящее время практически на всей территории Земли в десятках тысяч стационарных пунктах ведутся GPS (системы спутниковых геодезических измерений) наблюдения за современными движениями земной коры. Результаты этих наблюдений свидетельствуют о повсеместной распространенности цикличных вертикальных и горизонтальных движений.

Рассматривая всю гамму наблюдаемых цикличных знакопеременных и трендовых геодинамических движений, можно заключить, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении. Движение выступает как форма существования геологической среды.

По современным представлениям, режим напряженно-деформированного состояния литосферы внутриконтинентальных областей определяется тектоническими силами, действующими на границах плит, а также непосредственным воздействием глубинных мантийных процессов на литосферу континента в каждой точке исследуемой области.

Совместный анализ экспериментальных измерений геомехаников и геофизиков (ИГД УрО РАН, ИГФ УрО РАН, ИГД СО РАН, ИГФ ОИГГМ СО РАН, ИГ ОИГГМ СО РАН и др.) привел к принципиальному заключению о существовании сильной корреляционной связи между георитмами различных временных периодов (вековые, годовые, суточные и т.д.) и количеством динамических проявлений горного давления на шахтах и рудниках, в том числе и в катастрофических формах. Следовательно, геодинамические «климат и погода» конкретных месторождений полезных ископаемых определяются не только глобальными геофизическими ритмами, но и региональными и локальными геомеханическими процессами, связанными с отработкой месторождений полезных ископаемых. Без тесного взаимодействия геологов, геофизиков и горняков в таких условиях трудно рассчитывать на выработку надежной стратегии построения автоматизированных систем контроля геодинамической безопасности на шахтах и рудниках, особенно при освоении больших глубин.

Результаты, полученные в отдельных
исследовательских коллективах

В ИГД УрО РАН (доклады д.т.н. А. Сашурина, д.т.н. А. Зубкова, А. Панжина и др.)при поддержке РФФИ создан «Уральский центр геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых». Центр оснащен уникальными комплексами спутниковой геодезии. Внедрение дифференциальных GPS-технологий в оригинальных периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило экспериментально выявить новый класс геодинамических движений в разломных зонах с амплитудами до 110 мм, с периодами от 1 мин. до 1 часа и более и подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, свойственен пульсационный характер и знакопеременная направленность.

В ИГД СО РАН (доклады член-корр. РАН В. Опарина, д.т.н. А. Тапсиева, к.т.н. В. Вострикова и др.) развивается новый подход к изучению напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, основанный на анализе последствий взрывов. И в этом смысле он является дополнительным к традиционным методам инструментального контроля. Здесь большое внимание уделяется разработке и созданию современных контрольно-измерительных систем и приборных комплексов для регистрации и анализа нелинейных упругих волн в ближней, переходной и дальней зонах влияния взрывов. Различие в динамико-кинематических характеристиках разных групп волн, обусловленное видом напряженно-деформированного состояния пород в очаговых зонах, становится основополагающей частью разрабатываемых методических подходов диагностики и контроля механического состояния природных объектов.

В ИГФ УрО РАН (доклады д.ф.-м.н. О. Хачай, Е. Новгородовой и др.) выполняется комплекс исследований по динамике активизации процесса трещинообразования массива горных пород, по картированию потенциально опасных зон, изучению их напряженно-деформированного и фазового состояний, направленный на разработку критериев определения подготовки динамических явлений (горных ударов), вызванных процессами внутриблокового скольжения и концентрации напряжений внутри массива. Основными составляющими системы мониторинга являются методики объемной электромагнитной индукционной и сейсмической трехкомпонентной томографии.

Учеными Горного института Кольского научного центра (доклады д.т.н. А. Козырева, д.т.н. Э. Каспарьян, д.т.н. А. Ловичкова, к.т.н. В. Рыбина и др.) установлены закономерности распределения тектонических напряжений на территории Фенноскандии. Ориентация наибольших сжимающих напряжений, полученная по результатам численного моделирования, в большинстве случаев совпадает с установленной экспериментально. Для территории Кольского полуострова исследованы особенности формирования и построены карты тектонических напряжений в зависимости от геологического строения массивов горных пород в блочных структурах различного иерархического уровня. На основе выполненных исследований для апатитовых месторождений Хибинского массива выявлены участки потенциально опасные по динамическим проявлениям горного давления. Таковые возникают повсеместно при отработке сближенных месторождений и переходных зон между открытыми и подземными горными работами.

С заказным докладом на тему «Стратегия прогноза землетрясений и геодинамический мониторинг» выступил академик С. Гольдин. В ИГФ СО РАН проведены изыскания локальных мест для создания экспериментальных полигонов для мониторинга сейсмических событий в районе Горного Алтая. Принято решение о создании двух опытных полигонов: в районе наиболее сейсмоактивной зоны, охватывающей Курейский и примыкающий к нему Северо-Чуйский хребты.

В районе Алтайского полигона введены в эксплуатацию новые сейсмологические станции «Яйлю» и «Улаган», восстановлена ранее закрытая станция «Чаган-Узун», у которой увеличена частота дискретизации и диапазон регистрируемых сейсмосигналов. Восстановлена также сейсмостанция «Эланда», составляющая с модифицированными цифровыми сейсмостанциями «Тюнгур», «Кайтанак», «Усть-Кан» и «Тэнли» обрамление создаваемого полигона.

Таким образом, сформирована и работает в постоянном режиме сеть сейсмостанций, обладающая повышенными разрешающими способностями по отношению к слабым землетрясениям. Осуществлены эксперименты с временно развернутыми станциями на южном участке сейсмологического полигона. Фактически организована сеть наблюдений в районе расположения группы штолен.

Присутствие объектов горнодобывающей промышленности на выбранном для опытного полигона участке дает возможность перспективных оценок влияния техногенных факторов на сейсмоактивность района.

Выполнен комплекс натурных исследований по распознаванию регистрируемых в настоящее время сейсмособытий на территории Нижневартовского и Сургутсткого районов, вызванных процессами перераспределения напряжений в осадочном чехле и индуцированных процессами нефтедобычи. Изучены сейсмосигналы от известных техногенных источников на территории Ханты-Мансийского округа. Данные по локализации гипоцентров сейсмособытий на территории Западно-Сибирской нефтегазовой провинции, в отличие от Алтае-Саянской области, свидетельствуют об их техногенной природе.

Крупные проекты систем комплексного геомеханического мониторинга осуществляются на таких разных по назначению объектах, как Красноярский горно-химический комбинат (ГХК) и Северо-Муйский тоннель. Специфика горных выработок ГХК заключается в том, что проходческие работы здесь не ведутся и сооружения находятся в поле квазистатических напряжений уже на протяжении 50-ти лет. Однако степень ответственности и важности контроля безопасности подземных сооружений очень высока.

В недрах горного массива действует сложный промышленный комплекс, оказывающий мощное техногенное воздействие на вмещающие породы, в которых, как ответная реакция природы на эти воздействия, возникают и развиваются во времени процессы микросдвижений и микродеформаций на фоне естественной дислоцированности массива.

Массив горных пород, вмещающий Северо-Муйский тоннель, находится в сейсмоопасном регионе, существенно неоднороден по составу, расчленен тектоническими нарушениями, подвержен периодическим техногенным динамическим воздействиям. Очевидная необходимость поддержания тоннеля в безопасном состоянии послужила основанием для объединения усилий ОАО «Ленметрогипротранса» и КТИ ГЭП СО РАН в создании системы геотехнического мониторинга массива горных пород и сооружений Северо-Муйского тоннеля.

Эти технические системы контроля, созданные в последнее время на ответственных подземных сооружениях, в данном случае на средства Минатома и МПС России, вызвали у участников конференции большой интерес, главным образом в части комплексного подхода к проблеме выбора и обоснования технических решений, а также уровня автоматизации процессов сбора и обработки измерительной информации.

Новейшие аспекты акустоэмиссионных исследований в процессе развития очагов разрушения при слабых механических воздействиях, во взаимодействии параметров акустической эмиссии с физико-механическими свойствами пород, в периодическом характере деформационных предвестников разрушения были затронуты в докладах д.ф-м.н. В. Куксенко — ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, д.т.н. В. Шкуратника — Московский государственный горный университет, д.т.н. В. Макарова — Дальневосточный государственный технический университет.

Итоги дискуссии

На заключительной дискуссии совещания было отмечено следующее:

— год от года растет число участников конференции, а, следовательно, и число специалистов-исследователей в области экспериментальной геомеханики; сегодня они представляли основные горнодобывающие регионы страны от Владивостока до Апатит, от Норильска до Бишкека; отраслевые научные учреждения утратили свой потенциал, так что большинство исследований сосредоточено в академических учреждениях и вузах страны;

— возрождаются натурные исследования напряженно-деформированного состояния породного массива в условиях конкретных шахт и рудников; этот процесс за редким исключением находит финансовую поддержку предприятий, но практика этих взаимоотношений меняется в лучшую сторону, особенно после случаев опасных проявлений горного давления и разного рода техногенных катастроф. Надо отметить, при этом, что изменилась сама стратегия борьбы с природными и природно-техногенными катастрофами. Решение проблемы видится сегодня в предупреждении, а иногда даже в провокации динамических событий в определенном месте или в определенное время на основе долговременного и непрерывного контроля и опережающего прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива, а также в принятии мер по предотвращению или смягчению их негативных последствий;

— уровень представленных докладов оставил благоприятное впечатление; выполнено много оригинальных исследований, предложены новые модельные представления о геофизической среде, вскрыты новые механизмы ее поведения, вопросы предельного напряженного состояния горных пород и их прочности рассматриваются как на уровне мезомеханики, так и на микроуровне; часть исследований выполнено в сотрудничестве с зарубежными партнерами; в практике геомеханических исследований все шире применяются более тонкие и совершенные измерительные приборы, вычислительная техника промышленного исполнения.

На конференции высказана мысль о назревшей необходимости создания межрегионального Научного Совета по координации исследований в области геодинамики и напряженного состояния недр Земли.

Решено очередное совещание провести в Новосибирске в 2005 году.

Фото В. Овчинникова.

стр. 4