«ГОРНАЯ ГЕОМЕХАНИКА И МАРКШЕЙДЕРСКОЕ ДЕЛО Сборник научных трудов С анкт-П етербург 2009 Горная геомеханика и маркшейдерское дело : сборник научных трудов. - С П б.: ВН И М И, 2009. - 252 с. В статьях настоящего ...»

Мы говорим «особо», так как настроения в этой части больно дадут себя знать на развитии нашего горного строительства, и за ошибки настоящ его момента при­ дется сторицей поплатиться в более или менее близком будущем».

Позволю себе еще процитировать статью одного из основоположников совре­ менной маркшейдерии. Так много общего в сегодняшних днях и днях семидесяти­ пятилетней давности. «Между тем положение маркшейдерского дела у нас в Союзе заставляет ожидать много лучшего. Одной из причин такого полож ения является недооценка значения маркшейдерского дела как со стороны промышленников на местах, так и со стороны правящих органов».

Затронутые в статье И.М. Бахурина вопросы, ш ироко обсуждались Всесоюз­ ной маркшейдерской конференцией, созванной Н ТС ам и каменноугольной и руд­ ной промышленности в марте 1929 г. Одним из важнейших реш ений конференции ной, рудной и неф тяной промы ш ленности, первое организационное заседание которой состоялось 25.05.1929 г. В состав комиссии вош ли проф ессора кафедр маркшейдерского дела И.М. Бахурин, Н.Г. Келль (Ленинградский горный инсти­ тут), И.П. Бухиник, А.Е. Гутт (Днепропетровский горный институт), Ф.В. Галахов (Томский индустриальный институт), П.К. Соболевский (Свердловский горный институт), доцент А.И. Дисман (М осковский горный институт), начальник М арк­ ш ейдерской части Горнопромыш ленного надзора РСФ СР доцент Ф.И. Выдрин, руководитель научно-исследовательской ячейки М аркш ейдерского отдела треста «Донуголь» О.Л. Кульбах, маркшейдеры-производственники ряда горнодобывающих предприятий - всего 18 человек. В президиум ПМ К были избраны И.М. Бахурин (пред­ седатель), Ф.И. Выдрин, Ф.В. Галахов, А.Е. Гутт, А.И. Дисман, О.Л. Кульбах и П.К. Соболевский.

М естом располож ения постоянного рабочего бю ро ком иссии был выбран г. Ленинград.

Задачи, стоящие перед комиссией были определены следующим образом:

1. Бьггь постоянно в курсе положения маркшейдерского дела в Союзе как путем получения материалов от соответствующих горных органов и маркш ейдерских комиссий при местных отделениях НТСов, так и путем непосредственных обсле­ дований.

2. И нформировать о положении маркшейдерского дела М ТС ы и разрабаты­ вать меры для устранения дефекты в маркшейдерском деле и его рационализации.

3. Содействовать улучшению и развитию техники маркш ейдерского дела.

4. Выдвигать и разрабаты вать различные научно-технические вопросы как собственно маркш ейдерского дела, так и других связанных с маркш ейдерией сто­ рон горного дела.

5. Подготавливать и организовывать маркшейдерские съезды и конференции и проводить в жизнь их постановления.

6.Устанавливать связь по научно-техническим вопросам с Геодезическим и Геологическим т комитетами и другими органами, заинтересованны ми в правиль­ ном разреш ении маркш ейдерских вопросов, а также освещ ать маркш ейдерские вопросы в профсою зе горнорабочих и его органах.

7. Содействовать развитию магнитных съемок в горнопромыш ленн нах, участвовать в обсуждении плана их очередности и технической организации.

8. Осущ ествлять научное руководство совместно с Главной геофизической обсерваторией над М акеевской магнитной обсерваторией.

9. Устанавливать постоянную связь с горными вузами по части проработки учеб­ ных планов, программ и проведения непрерывной производственной практики.

10. Давать заключения по вопросам маркшейдерского дела и вопросам с ним связанными, по поручению НТСов.

11. Издавать маркш ейдерский печатный орган и принимать меры к изданию маркш ейдерской литературы, а также популяризации значения маркшейдерского дела в массах. (ГЖ № 12, 1929 г., С. 2249-2250).

За три года своей работы П М К провела детальное обследование состояния дел в маркшейдерских службах горнодобывающих предприятий Донбасса, Урала, Кривого Рога, П одмосковного бассейна и Кузбасса, а такж е н ачала осуществле­ ния ряда научно-исследовательских работ. В частности, в Д онбассе О.Л. Кульбахом были заложены 3 станции для систематических наблюдений за сдвижениями подробная инструкция о порядке организации и проведения наблюдений и отра­ ботки результатов измерений. А.Е. Гуттом была исследована возможность карти­ рования сбросов по маркшейдерским данным о смещениях пластов, встреченных горными работами. Н.Г. Келлем детально обоснована возможность и рациональ­ ность введения для маркшейдерских планов системы координат Гаусса-Крюгера, Разработаны технические инструкции для топограф ических съемок масш таба 1:2000 и 1:5000 (O.JI. Кульбах, А.Е. Гутт, И.М. Бахурин). Н ачата работа по созда­ нию единых условных обозначений на маркшейдерских планах и разрезах горных выработок (Ф.И. Выдрин, А.И. Дисман, О Л. Кульбах, Ф.В. Галахов). Обоснована необходимость разработки отечественных маркшейдерских гирокомпасов для ори­ ентирования подземных горных выработок (Ф.В. Галахов). И.П. Бухиник исследо­ вал вопрос о возможности разработки сближенных пластов в восходящем поряд­ ке и уточнил коэффициенты сближенности для различных углов падения.

В январе 1932 г. в Ленинграде ПМ К совместно с НТСами каменноугольной и горнорудной промышленности организовывает созыв и проведение Первого всесо­ юзного съезда по маркшейдерскому делу, на котором было принято решение о необ­ ходимости учреждения маркшейдерского научно-исследовательского института.

П риняв во внимание реш ение съезда, Н арком ат тяж ел ой п ром ы ш ленности 27.09.1932 г. издал приказ об организации на базе ПМК в Ленинграде Централь­ ного научно-исследовательского бюро по маркшейдерскому делу (Ц Н И М Б). Ди­ ректором и бессменным научным руководителем Ц Н И М Б до самой кончины в 1940 г. стал председатель ПМ К, зав. кафедрой маркшейдерского дела ЛГИ, проф.

И.М. Бахурин, Потом, в связи с расширением круга исследований и по другим при­ чинам институт переименовался (табл.), но основы школы ВНИМ И были залож е­ ны именно в те далекие годы. У истоков этой школы стояли выдающиеся ученые Н.Г. Келль, В.Д. Слесарев, П.И. Городецкий, Н.А. Гусев, К.А. Звонарев, Д А. Казановский, А.П. Казачек, Г.А. Кротов, Г.Н. Кузнецов, Б.И. Никифоров и И.Н. Ушаков.

п/п Постоянная Маркшейдерская комиссия 25.05.1929 г. Реш ение Всесоюзной Центральное научно-исследовательское 01.11.1932 г. П риказ по Н И С Н К Т П Всесоюзный научно-исследовательский 26.07.1945 г. П остановление ГОКО п/п 4. Всесоюзный научно-исследовательский 10.06.1963 г.

институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела - ВН И М И 5. Всесоюзный научно-исследовательский 05.11.1970 г.

институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела В Н И М И М инистерства угольной промышленности СССР Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела (В Н И М И ) М инистерства угольной промыш ленности СССР Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научноот 01.03.1991 г. № У-49/ исследовательский институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела Государственное предприятие «Н аучно-исследовательский институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела - В Н И М И » М инистерства топлива и энергетики РСФ СР Государственное ф едеральное унитарное 06.06.1997 г.

предприятие «Государственный научноВ асилеостровского исследовательский институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела от 06.06.1997 г. № 1094-р М ежотраслевой научный центр 10. Ф едеральное государственное унитарное предприятие «Научнорайону С анкт-П етербурга исследовательский институт горной геомеханики и маркш ейдерского дела М ежотраслевой научный центр 11. О ткрытое акционерное общество «Н аучно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - М ежотраслевой научный центр горнодобы ваю щ их районах страны. Руководителем Х арьковской группы стал O.JI. Кульбах, Зап адн оси б и рской - проф. Ф.В. Галахов, Д неп роп етровской проф. И.П. Бухинин, У ральской - проф. СГИ Д.Н. О глоблин и М осковской доц. А.И. Дисман. В январе 1943 г. была образована в г. Караганде Казахская группа ЦН И М Б, руководителем которой до конца 1944 г. был проф. Н.Г. Келль.

Научная деятельность Ц Н И М Б развивалась по трем направлениям: проведе­ ние обширных инструментальных наблюдений за процессом сдвиж ения земной поверхности под влиянием подземных выработок; разработка и регламентация методов выполнения маркшейдерских работ; изучение и создание перспективных методических подходов к исследованиям проявлений горного давления в шахтах и рудниках.

В рамках данной статьи нет возможности рассказать о всех этапах развития ВНИМ И. Вспомнить всех блестящих ученых, отдавших и отдающих свой талант развитию института. Мы просто вспомнили, как все начиналось.

Сегодня В Н И М И это крупный научный центр, в составе которого действуют:

- учебный центр ВН И М И, располагающий лицензиями М инобразования РФ для ведения переподготовки научных и инженерных кадров горных предприятий России;

- аспирантура и докторантура, образованные во исполнение Постановления Совета Министров С СС Р имеющие лицензию на право ведения образовательной деятельности в сфере профессионального образования № и24Н-0507 от 31 марта 2000 г.

В своем составе институт имеет Сибирский и Уральский филиалы, К емеровс­ кое и С еверо-К авказское представительства, Воркутинский, Норильский научные секторы.

На базе В Н И М И действует С еверо-Западное отделение А кадемии горных наук.

Среди важнейших партнеров института: О А О «ГМ К «Норильский никель», О А О «К ольская ГМ К », А К «АЛРОСА», О А О «Газпром», О А О «Илецксоль», О А О «Воркутауголь», ГТ «Арктикуголь», О А О «СУБР», О А О «ГипсКнауф», О А О «Мечел», ЗА О «С еверо-Западная фосфорная компания», М инэнерго РФ, М иноб­ разования и науки РФ, М ЧС РФ, «Винакол» (Вьетнам), «ДМТ» (Германия).

Р азраб отки института имею т ф ун дам ен тальн ы й и п ри кладн ой характер, пользуются заслуж енны м авторитетом за рубежом. О ни реализую тся по м еж п ра­ вительственным программам по экономическому и научно-техническому сотруд­ ничеству между М инэнерго России и другими странами, наприм ер, Вьетнамом, Китаем, Индией.

Институт имеет обш ирные научные международные связи, является членом пяти М еждународных обществ, в том числе входящих во Всемирный горный кон­ гресс. М ногие годы институт осуществляет тесное сотрудничество с Комитетом устойчивого развития энергетики Европейской экономической комиссии О О Н.

Под эгидой О О Н (Рабочие группы по газу и углю) в течение 1994-2003 гг. на базе В Н И М И были п роведены М еж дународны е симпозиумы по горным ударам и выбросам и несколько М еж дународны х рабочих совещ аний по геодинамической безопасности, в том числе в 2003 г.

Институт является лауреатом четырнадцати Государственных премий и премий Правительства России. В своем активе институт имеет свидетельства на научные вания института вклю чены в перечень научных установок национального досто­ яния России. Один из комплексов удостоен золотой медали Всемирного салона изобретений.

Направления наших исследований существенно расш ирились за прошедшие годы. Но самым значимым достижением В Н И М И является понимание взаимо­ связанности процессов и явлений, происходящих в геологической среде, и постро­ ение своих исследований так, чтобы эта взаимосвязанность отраж алась в научнотехнических решениях.

В Н И М И - 80 лет. Н а наш ем пути было много п реград и сложных этапов развития, но мы верим - «Все временное изменится, но вечное пребудет вечно»!

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕЙСМОБЕЗОПАСНОСТИ

КУЗБАССА

П ричиной активизации геодинамических явлений является масштабное ин­ женерное воздействие промышленных объектов К узбасса на его недра и объясня­ ются с позиций геодинамики недр, рассматривающей горный массив как блочную структуру, находящуюся под совокупным воздействием естественных и техноген­ ных полей напряжений.

Я вляясь районом современной тектонической активности, Кузбасс, в соот­ ветствии с новой версией сейсмического районирования ОСР-97 (В.И. Уломов чл.-корр. А Н Узбекистана), относится к 7-8 балльной зоне сотрясений и характе­ ризуется сложнейш ей картиной распределения напряж ений в блочном массиве горных пород с превыш ением горизонтальной составляю щ ей напряж ений над вертикальной, в 1,5-3,0 раза в нетронутом массиве. Значительны е изменения в напряж енно-удароопасном состоянии вызывает интенсивная добыча руды и угля подземным и открытым способом.

К настоящему времени из недр Кузбасса извлечено около десяти миллиардов тонн полезных ископаемых, что создает высокую техногенную нагрузку на весь Кузнецкий регион. Усугубляют обстановку частые промы ш ленны е взрывы с за­ рядами взрывания до 500 т ВВ, количество которых составляет более ты сячи в год, а сейсмический эф ф ект оценивается на уровне естественных землетрясений с К = lg Е Дж до 9-11.

Кузбасс, представляющ ий собой сложную иерархически-блочную структуру, подвергаясь постоянному воздействию зон опорного давления от фронта очист­ ных работ, сотрясению от взрывов и естественных землетрясений, отвечает на них изменением геодинамического режима. К вазиравновесное состояние отдельных блоков, естественными границами которых часто являются геодинамически ак­ тивные разломы, нарушается, в результате блоки теряют устойчивость и сбрасывают и сейсмических явлений согласно теории толчкообразного деформирования проф.

И.М. Петухова (В Н И М И ). П ри этом процесс деформирования блочного массива мож ет развиваться лавинообразно. П оявление одного динам ического явления вызывает приток упругой энергии сжатых пород и сейсмических волн в соседний участок, вызывая возникновение других динамических явлений и толчков, прояв­ ляющихся «роем» сейсмических явлений техногенного характера.

П роцесс может перерасти в крупные горно-тектонические удары, что неоднок­ ратно уже регистрировалось в Кузбассе тяжелыми авариями с гибелью людей и выводом из строя целых горизонтов работ. Так случилось на шахте «Тайжина» в 2004 году при подходе забоя к зоне влияния активного геодинамического разло­ ма. Аналогичный характер с массовой гибелью шахтеров имела авария на шахте «Зыряновская» в 1998 году.

«Роем» техногенных землетрясений ответила геологическая среда в рабочем поселке К очура, располож енном в 3-5 км от глубоких рудников Горной Ш ории (до 1 км) в зоне геодинамически активного разлома, после зем летрясения силой 5,6 баллов по шкале Рихтера в 1988 году. После этого землетрясения Таштагольской сейсмостанцией регистрировалось до 1 тысячи техногенных землетрясений в год, что вызвало ш ирокий общественный резонанс. Землетрясения невысокого класса продолжаю тся в поселке Кочура до настоящего времени, но уже с низкой интенсивностью.

Город Осинники «трясет» с сентября 2005 г. по настоящ ее время. В начале декабря 2005 г. стали поступать аналогичные жалобы из городов Полысаево, Киселевска, П рокопьевска. П ри этом имеет место разруш ение автомобильных дорог и трамвайных путей, а такж е ранее построенных жилых домов. Выполненные в г. Осинники геофизической службой СО РАН в ноябре 2005 г. сейсмологические наблюдения на переносных сейсмостанциях зарегистрировали сейсмические со­ бытия с магнитудой до 3,1 балла по шкале Рихтера. Установлено, что естественные сейсмические события (три события) с энергией К = 7-9 и магнитудой М - 1,9-3, и положением гипоцентра на глубине 5-20 км находятся за пределами города на его ближней и дальней периферии (от 5 до 30 и более километров) в сторону горо­ дов М еждуреченска и Таштагола.

В самом городе зарегистрировано 28 сейсмических событий, сосредоточен­ ных, в основном, вблизи территории шахты «Осинниковская» и «ложащихся в ряд»

на сопочную структуру земной поверхности - водораздел речек Елбань и Кондалеп. Энергия событий К - 2,1-7,0 магнитуда М = 0,1-1,8 и глубина гипоцентра от 1 до 2 км.

На поле шахты «Осинниковская» зарегистрировано 12 событий, эпицентр ко­ торых находится в различных местах под выработанным пространством на глуби­ не 1-2 км при глубине отработки 470-700 м. Наибольш ее количество эпицентров сейсмических событий с К до 4,5 и с М до 0,2 на территории шахты «О синников­ ская» находится в районе под старыми горными работами шахты (1950-1960 гг.).

В целом практически все сейсмические события расположены в зоне между двумя геодинамически активными разломами, выявленными по методике ВНИМ И [1].

Больш ая часть сейсмических событий, зарегистрированных в г. Осинники в нояб­ ре 2005 г. и продолжаю щ ихся по настоящее время представляю т собой техноген­ ные землетрясения.

со сложной геодинамикой, техногенная сейсмичность добавляет 2 балла к есте­ ственному уровню сейсмичности.

Что касается Кузбасса, аналога которому по степени техногенной нагружен­ ное™ нет, на наш взгляд, уровень сейсмического риска, который по данным Гос­ строя составляет 1,45, долж ен быть пересмотрен в сторону увеличения, не менее, чем в 2,0-3,0 раза за счет:

- учета постоянно растущего фронта очистных работ и, следовательно, увели­ чения объемов добычи, а, значит, и увеличения нагрузок на недра;

- учета неравномерностей полей напряжений, обусловленных влиянием про­ растающих активных разломов, особенно в узлах их пересечений, «подпитываю­ щих» сейсмичность региона;

- тревожного нарастания естественной сейсмической активности территории Кемеровской области в последние десятилетия;

- активизации техногенной сейсмичности, практически по всему Кузбассу;

- наличия на южной границе Кузбасса постоянно действующей высоко сейс­ мичной А лтае-Саянской зоны;

- усиливаю щ ееся влияние промыш ленных взрывов больш ой мощ ности на многочисленных разрезах К узбасса, проявляю щ ихся с сейсмической энергией до 3 -4 баллов;

- наличия больш ого числа объектов повыш енной сейсмической опасности, включая ответственные технологические линии химического и металлургическо­ го производства, не допускающ ие деформаций и толчков с бальностью выше 3-4, а также шахт, гидротехнических сооружений, жилой застройки практически по всему Кузбассу, уже испытавшие многократные, еж едневны е сейсмические воз­ действия от всех перечисленных выше геодинамических проявлений.

В этой связи, величина деформаций пород основания объектов гражданского строительства на 2-3 порядка выше допустимых и они, как правило, не принима­ ются во внимание. В сложивш ейся очень тревож ной и нестандартной геодинамической ситуации в Кузбассе, при наличии огромных выработанных пространств, характер разруш ений от землетрясений, даж е среднего класса, будет более ка­ тастрофический, чем в любом другом регионе, с учетом нашей нестандартности.

П ринимая во внимание сложившуюся ситуацию и тенденцию к ее обостре­ нию, оснований рассчитывать на оптимистические прогнозы нет. П оэтому нужно быть готовыми и принимать все возможные меры к снижению риска и послед­ ствий возможной большой катастрофы.

В этой связи, в соответствии с реш ениями П равительственной комиссии РФ, расследовавш ей в К узбассе п оследствия п роизош ед ш ей в кон ц е сен тяб р я начале октября 2003 г. серии крупных А лтае-С аянских зем летрясений и п ред ­ писавш ей к исполнению конкретны й состав мер по обеспечению сейсм обезо­ пасности К ем еровской области и снижению рисков п роявления в регионе круп ­ ных аварий, связанны х с зем летрясениям и, была разр аботан а реги он альн ая ц е­ левая п рограм м а «С ейсм обезопасность терри тори и К ем еровской области на период до 2010 г.».

К настоящему времени в соответствии с программой создана, оснащ ена и уже частично ф ункционирует инж енерная сейсмологическая сеть, направленная на организацию сейсмо-логического и геодинамического мониторинга сейсмоактив­ ности недр К емеровской области и сейсмобезопасности её территории.

промыш ленных агломератов К емеровской области, В Н И М И была предлож ена простейш ая конф игурация инж енерной сейсмологической сети в виде базового многоугольника с верш инами в городах А нж еро-С удж енск, К ем ерово, Салаир М еждуреченск, Таш тагол и длинами сторон соответственно 230-180 км. В радиу­ сах 100 км от указанных верш ин - (мест размещ ения сейсмостанций) находятся все добываю щие предприятия Кузбасса, все города и крупные рабочие поселки (см. рис.) Центр сбора и обработки информации инж енерной сейсмологической сети Кузбасса размещ ён на сейсмостанции г. Кемерово.

Схема разм ещ ения сейсмостанций инженерной сейсмологической сети Кузбасса (станции сети показаны квадратами) и её расш иренная конфигурация при дополнительном вклю чении в сеть сейсмостанций Таш тагол, Берчикуль, Ельцонка ш ирена за счет располож енны х в Кузбассе и его окрестностях сейсмостанций Берчикуль, Е льцовка, принадлеж ащ их А лтае-С аянской опы тно-м етодической сейсмологической экспедиции. Включение их в создаваемую сеть позволяет оп­ тимизировать её конфигурацию на избирательную регистрацию событий в Куз­ нецкой котловине и повысить её локационные возможности.

Реализация программы «Сейсмобезопасность К узбасса» н ап равлена на по­ выш ение безопасности прож ивания и ж изнедеятельности населения области, сниж ение возм ож ности катастроф ических последствий для находящ ихся на его территории гражданских и промышленных объектов.

Исполнение работ по программе позволит:

- создать единую в Кемеровской области систему оперативного контроля сей­ смобезопасности недр, леж ащ ую в основе принятия управленческих реш ений в кризисных ситуациях;

- обеспечить регистрацию и установление местоположения всех очагов сейс­ мических событий в недрах региона с оценкой их энергетического класса, сейсмогенной природы, меры представляемой ими опасности;

- организовать комплексный мониторинг геодинамического состояния недр Кузбасса по важнейшим видам проявивших себя предвестников землетрясений с организацией современных баз данных их хранения и программных средств их обработки;

- обеспечить в режиме реального времени контроль динамики изменения сейсмоопасных признаков в состоянии геологической среды региона по параметрам гидродинамики подземных водоносных горизонтов, газодинамики напряженных угольных пластов, деформациям недр вблизи контролируемых сейсмогенных струк­ тур и вариациям, излучаемых сейсмогенными структурами, природных физичес­ ких полей;

- создать систему оповещ ения населения области, её директивных органов, служб оперативного реагирования, управленческих структур промышленных пред­ приятий о состоянии риска проявления землетрясений в области и возможных последствий их проявления на приданных территориях;

- наладить сотрудничество с региональными сейсмологическими центрами Сибири по обмену и учету сейсмологической информации, разработке и совер­ шенствованию используемых моделей прогноза землетрясений;

- произвести инж енерную оценку сейсмобезопасности (сейсмостойкости, ос­ таточного ресурса долговечности) зданий и сооружений на основе их выборочно­ го инструментального обследования с помощью мобильного диагностического комплекса «Струна»;

- выполнить работы по усилению и реконструкции зданий и сооружений, име­ ющих высокий деф ицит сейсмостойкости.

I. Лазаревич Т.И., Мазикин В.П. и др. Геодинамическое районирование Ю жного К уз басса. Кемерово: Н И И горной геомеханики и маркш ейдерского дела - межотраслевой на­ учный центр ВН И М И. Кемеровское Представительство. 2006. 188 с.

ТЕХНОГЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ КАК ОТРАЖЕНИЕ

ЭВОЛЮЦИИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В ГОРНОРУДНОЙ

ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

На эволю цию геологической среды в ГрПТС оказываю т влияние множество случайных (принцип П уанкаре) и детерминированны х ф акторов [7], однако в процессе эволю ции любой сложной системы выделяют несколько главных пара­ метров, назы ваемы х парам етрам и порядка, или управляю щ ими парам етрам и.

В качестве внутренних параметров порядка геологической среды в ГрПТС, оп­ ределяющ их её геомеханическую эволюцию, следует принимать показатели её напряж енно-деф орм ированного состояния, в качестве внешних - объемы и па­ раметры горных работ.

Эволюция любой системы преследует определенные цели: стабильность и раз­ витие. При этом развитие возможно только потому, что эта стабильность имеет ха­ рактер динамического равновесия. Кстати, анализ процесса естественной (текто­ нической) и техногенной сейсмичности дает основание считать геологическую сре­ ду «живой», которая эволюционирует, чутко реагируя на все происходящие в ней природные и техногенные процессы [8, 9]. А поскольку эволюция живой системы может быть управляемой (в некоторых пространственно-временных интервалах), основной целью эволюции НДС геологической среды в ГрПТС является обеспече­ ние стабильной и безопасной работы горнодобывающего предприятия. Для этого необходимо контролировать все стадии эволюции этой системы. Самой благопри­ ятной для работающего предприятия является стадия адаптации, в которой необ­ ходимо поддерживать систему как можно дольше. Н о изменения в геологической среде работающ его рудника неизбежны и иногда они могут иметь катастрофичес­ кий характер. Самой опасной является стадия отбора, где вследствие бифуркаци­ онных механизмов возможны кризисные состояния, опасные в том числе и по ди­ намическим проявлениям типа 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 уп­ равления геомеханическими процессами в ней разработаны соответствующие си­ стемы геодинамического мониторинга, экспертные системы оценки и прогноза удароопасой ситуации и способы противоударной профилактики [10].

Необходимо отметить, что состояние проблемы техногенной сейсмичности теснейшим образом связано с состоянием проблемы сейсмичности природной (тек­ тонической), где в последние годы чётко обозначился кризис, обусловленный нере­ шенностью вопросов средне- и краткосрочного прогноза землетрясений. «Число опробованных предвестников уже перевалило за 1000. Из них более 140 зарегист­ рированы как откры тия, а примеров удачного оперативного прогноза землетря­ сений фактически нет» [11, С. 149]. Поэтому «Постепенно во всем мире работы по прогнозу землетрясений свертываются, прекращ ается финансирование как тео­ ретических исследований, так и наблюдений на геодинамических полигонах, а высво­ бождающиеся 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 сейс­ моактивных районах» [12, С. 78]. Аналогичная ситуация складывается и в реше­ нии проблемы горных ударов и техногенных землетрясений.

Подобные подходы к оценке геодинамической опасности в рудниках разра­ батываются в Горном институте Кольского научного центра. Н а основе моделей мание не на пространственно-временном прогнозе каждого горного удара, а на оценке пороговых значений параметров эволюции Н Д С геологической среды в ГрПТС, определяю щ их адаптационны е возможности среды и уровень геодина­ мической опасности [10, 13]. Н а основе результатов многолетних исследований вопросов прогноза и профилактики горных ударов предлож ена методология уп­ равления геодинамическими рисками при ведении горных работ в высоконапря­ женных массивах скальных пород, отличающаяся тем, что осуществляется прогноз и профилактика не отдельного динамического события, а кризисной области, опас­ ной по динамическим явлениям типа горных ударов и техногенных землетрясений, что позволяет сделать более надежным геодинамический прогноз и существенно повысить безопасность горных работ [14].

Результаты проведенных исследований показывают, что техногенная сейсмич­ ность является отраж ением процессов самоорганизации геологической среды в природно-технических системах, в то время как сейсмичность природная (текто­ ническая) характеризует эволюционные процессы в земной коре. Эволюция лю ­ бого ф рагм ента п риродной и природно-технической системы сопровож дается рядом больших и малых катастроф, а каж дая катастроф а является следствием разруш ения старых подсистем (структур) и возникновения новых. Таким образом процессы структурной перестройки в геологической среде проявляю тся в виде сейсмичности, энергетический спектр которой определяется энергией эволю ци­ онных процессов.

Отличительной особенностью эволюции НДС геологической среды в горно­ рудной природно-технической системе являю тся периодические динамические нагрузки от мощных технологических взрывов, обеспечиваю щ ие эф ф ект «потря­ хивания» системы [15], и относительно высокие скорости эволюционных процессов, определяемые темпами развития горных работ. Поэтому влиянию взрывных ра­ бот на техногенную сейсмичность уделяется большое внимание.

Управлению различными рисками повсеместно уделяется большое внимание, о чем свидетельствует возросшее число публикаций на эту тему, в том числе в гор­ ном деле [16-18] и в гражданском строительстве [19, 20]. Общ ие принципы при этом остаются неизменными: риск есть количественная мера оценки опасности, равная произведению вероятности этой опасности на ожидаемый от неё ущерб. Для умень­ шения риска применяют мероприятия, устраняющие эти опасности или снижаю­ щие вероятность их реализации, а также уменьшение ущ ерба от этих опасностей.

Для управления геодинамическими рисками используется разработанная нами методика диагностики критических состояний участков геологической среды и вы­ бора технических реш ений для обеспечения безопасности горных работ (рис. 2).

Структура методики включает в себя два информационных блока регионального прогноза и детального моделирования и анализа информ ации, блок инструмен­ тального контроля выявленного в первых двух блоках опасного участка и блок технических решений по снижению геодинамического риска.

Уровень риска оценивают по результатам исследований в первом блоке и уточ­ няют по данным анализа во втором блоке. Величину риска определяю т по формуле где Р - вероятность динамического события; D - ожидаемый суммарный ущерб от этого события; а - коэф ф ициент неопределенности в оценке величин P h D.

0) f0.0] Рис. 2. Блок-схема методики управления геодинамическими рисками на предприятии соответствующей статистике или по данным геодинамического мониторинга. П ри этом однако следует иметь в виду, что статистика динамичес­ ких событий на руднике является результатом того, что уже произош ло, в то вре­ мя как вероятность - это предсказание того, что может случится на руднике при определенной геомеханической ситуации. И поскольку при наличии геодинамической опасности эту ситуацию по возмож ности целен ап равлен но меняю т, то частота и вероятность реализации динамических явлений могут существенно раз­ личаться между собой, что нередко имеет место на рудниках.

В еличина риска может варьировать в ш ироких пределах, она определяется в основном мощ ностью динамического явления. П о уровню риска и в соответ­ ствии со стадиями возникновения и развития опасных ситуаций [21] в таблице приведена классиф икация динамических явлений на апатитовых рудниках [22], которая может быть полезной для оценки геодинамической обстановки на дру­ гих рудниках.

Кстати, в таблице горно-тектонический удар и техногенное землетрясение мы объединили в одну группу, как принято в [23] и других инструктивных докумен­ тах. Действительно в отечественной горно-технической литературе не обозначена четкая граница между этими двумя понятиями: в обоих случаях понимают мощ­ ное динамическое событие с катастрофическими последствиями для рудников.

Следует заметить, что техногенное землетрясение может и не сопровождать­ ся разрушением горных выработок, но наличие таких землетрясений однозначно свидетельствует об опасности горных ударов в такой геодинамической ситуации.

С оверш енно очевидно, что последствия техногенного землетрясения для рудника будут определяться полож ением его очага: при достаточно удаленном очаге от горных работ будет иметь место толчок, звук и сотрясение от которого будут оп­ ределяться энергией события; при расположении очага вблизи горных работ бу­ дет иметь место горно-тектонический удар в его общ епринятой формулировке.

Это обстоятельство следует иметь в виду при составлении соответствующих инст­ рукций и в публикациях по тематике горных ударов.

Однако, как показывает опыт, по причине неоднородности состава и строе­ ния горных пород в массиве, неполной геомеханической и геологической и нф ор­ мации, вы нуж денны х (ситуативны х) отступлений от п роекта горных работ в руднике иногда возникаю т кризисные ситуации, сопровождаемые внезапными раз­ рушениями горных выработок, в том числе и по причине динамических явлений в массиве пород. Следует заметить, что любой кризис есть наруш ение прежнего рав­ новесия системы и переход её в новое устойчивое состояние. П оэтому с точки зрения общ ей теории эволю ции периодические кризисы сопровож даю т любую развиваю щ ую ся систему. О днако в производственном процессе лю бой кризис является крайне нежелательны м явлением и подлеж ит незамедлительному уст­ ранению. П оскольку все кризисны е ситуации развиваю тся по универсальной модели, то и ликвидацию этих ситуаций следует осуществлять такж е по типовому алгоритму (рис. 3) [14].

В первую очередь осуществляют идентификацию кризисной ситуации (опре­ деление типа разруш ения, мощности динамического явления и т.д.) и оценивают величину риска от этого явления для всего технологического процесса по приве­ денной выше формуле.

-3 1 Рис. 3. Блок-схема ликвидации кризисной ситуации 32Если величина риска оказывается неприемлемой, выявляются причины воз­ никшей ситуации и определяю тся пути её ликвидации. В достаточно простых слу­ чаях и при значительном опыте инженерно-технических работников многие из приведенных в алгоритме процедур выполняются интуитивно. О днако в более сложных случаях, действуя по приведенному алгоритму, можно сформировать базы данных и знаний о кризисных ситуациях в руднике, что существенно облегчит вы­ ход из этих ситуаций.

Следует подчеркнуть, что универсальность базовой модели определяет и уни­ версальность алгоритма выхода из критических ситуаций, то есть этот алгоритм может быть использован для ликвидации любой критической ситуации не только во всех звеньях производственного процесса, но и в других сферах человеческой деятельности.

Для формирования техногенных землетрясений при ведении горных работ не­ обходимо сочетание ряда условий, прежде всего, высокий уровень горизонтальных тектонических напряжений в массиве пород, определяемый соответствующей тектонофизической обстановкой (т.е. наличие зон с большими градиентами скоростей новейших тектонических движений), наличие хрупких высокопрочных пород с тек­ тоническими неоднородностями в пределах зоны разработки, благоприятные гео­ морфологические условия (гористый рельеф), наличие крупномасштабной разра­ ботки (площадь выемки, глубина разработки, объем извлекаемой и перемещаемой горной массы), взрывное воздействие при проходке выработок и отбойке руды.

Проявление новейших движений ведет к перераспределению напряжений в зем­ ной коре, что сказывается на поведении отдельных блоков, выражающемся в мед­ ленном (крип) или скачкообразном движении (толчки) по разломам. Инженерная деятельность человека может рассматриваться как дополнительное кратковремен­ ное внешнее воздействие на сложную цепь природных взаимосвязанных процессов, выступающая в роли триггера ранее накопленной упругой энергии, определяющей напряженность массива горных пород. За счет выделения энергии вблизи геомеханического пространства природно-технической системы общий уровень естествен­ ных напряжений в массиве снижается, и созревание наиболее сильного возможно­ го землетрясения для данного района отдаляется.

Таким образом, непременным условием определения верной стратегии управ­ ления геодинамическими процессами при отработке месторождений является по­ лучение надежной информации о параметрах поля напряжений в нетронутом мас­ сиве пород [10]. П ри этом выделяются четыре уровня напряж енного состояния:

I - сильнонапряж енны е а 3>40 М П а; II - средненапряж енны е о3= 20-40 М П; III слабонапряженные ст3 ' N d i o ^ d OT-CNCNC'IOCOCMCMtMC'iCMCNC'JOOC'J Рис. 8. О бобщ ённый график квадратов скоростей поднятий реперов на полигоне И сследованная проводятся при поддержке Российского ф онда фундаменталь­ ных исследований, проект № 09-05-0007.

1. Гзовский М.В. О сновы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 536 с.

2. Магу Lou Zobak, Mark D. Zobak, J.Adamc and eth. Global patterns of tectonic stress Nature. 341. 1989. P. 291-298.

3.Тахтаджаняи А Л. Principia tectologica. П ринципы организации и трансформ ации сложных систем: эволю ционный подход. СПб.: СП Х Ф А, 2001. 121 с.

4. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г. Писареико В.Ф. Д еф ормирование ге кой среды и сейсмический процесс. М. : Наука. 1987. 100 с.

5. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Савченко С.Н., Панин В.И., Мальцев В.А. Прогноз и профилактика техногенных землетрясений с позиций нелинейной геодинамики. Ф Т П РП И, 2001. № 4. С. 1-16.

6. Моисеев Н.Н. Расставание с простотой. М.: «Аграф», 1998. 480 с.

7. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Случайность и неустойчивость в геофизических процессах // Ф изика Земли. 1989. № 2. С. 3-12.

8.Николаев А.В. Черты геофизики XXI века // П роблемы геофизики XXI века. М.:

Наука. 2003. Кн. 1. С. 7-16.

9. Гольдин С.В. Ф изика «живой» Земли // Проблемы геофизики XXI века. М.: Н 2003. Кн. 1. С. 17-36.

10. Сейсмичность при горных работах / П од ред. акад. Н.Н. М ельников. Апатиты: КН Ц РАН, 2002. 325 с.

11. Кондратьев O.K. П рогноз землетрясений. Причины неудач и пути решения пробле­ мы // Оценка и управление природными рисками «Риск-2003». М.: РУДН, 2003. Т.1. С. 148-152.

12. Любушин А.А. Геодинамический мониторинг: шумы, сигналы, предвестники // П роблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Кн. 2. С. 70-94.

сторождений // Геомеханика при ведении горных работ в вы соконапряж енных массивах.

Апатиты: К Н Ц РА Н, 1998. С. 66-73.

14. Козырев А.А., Панин В.И., Мальцев В.А., Федотова Ю.В. Управление геодинами­ ческими рисками в высоконапряженных массивах скальных пород // Горное дело в А ркти­ ке. СПб: Иван Ф едоров, 2005. С. 62-69.

15. Хайтуп С.Д. Ф еномен человека на фоне универсальной эволюции. - М.: КомКнига, 2005. 536 с.

16. John V. Simmons. G eotechnical risk m anagem ent in open pit coal mines. A ustralian center for G eom echanics Newsletter, 2004. V № 22. P. 1-4.

17. Викторов С.Д., Иофис M.A., Одинцев B.H. Разруш ение горных пород и риск техно­ генных катастроф //Г о р н ы й журнал, 2005. № 4. С. 30-35.

18. Owen M.L. Calibrating a semi-quantitative seismic risk model using rockburst case studies from underground metallifrous mines / Controlling seismic risk. Australia: Australian C entre for Geomechanics, 2005. P. 191-204.

19. Куликова Е.Ю. О сновы стратегии управления риском в городском подземном стро­ ительстве //Г орн ы й инф.-аналит. бюлл., 2006. № 5. С. 14-16.

20. Мога S., Keipi, К. D isaster risk m anagem ent in developm ent projects: m odels and checklists // Bulletin of engineering geology and the environm ent, 2006. V. 65. № 2. P 155-165.

21. Яковлев В.П., Могилат В.П., Лобко В.П. Развитие методологии формирова­ ния информационных потоков в системе управления промышленной безопасностью горнодобывающих предприятий // Горный инф.-аналит. бюлл. 2006. 15. С. 112—118.

22. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатитонефелиновые месторождения. О ткрытое акционерное общ ество «Апатит») Коллектив авторов. Апатиты: К Н Ц РА Н, 2002. 97 с.

23. Козырев А.А., Панин В.И., Мальцев В.А. И зменение геодинамического реж има геологической среды при крупномасштабном освоении недр // О своение недр и экологи­ ческие проблемы - взгляд в XXI век. М.: АГН, 2001. С. 111—121.

ГОРНЫЙ МОНИТОРИНГ

СЕЙСМИЧЕСКОЙ И ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

КУЗБАССА

Длительная и интенсивная эксплуатация месторождений Кузбасса открытым и подземным способом привела к серьезной активизации геодинамических про­ цессов в регионе.

С ростом глубины развития горных работ повысилась не только частота и ин­ тенсивность проявления динамических форм горного давления, произош ли их качественные изменения от локальных очагов горных ударов и внезапных выбро­ сов до крупных горно-тектонических (геодинамических) ударов, проявляющихся со значительным сейсмическим эффектом.

За пятидесятилетний период освоения недр Кемеровской области на угольных шахтах зарегистрировано 199 внезапных выбросов и более 200 горных ударов. На рудниках Горной Ш ории произош ло четыре крупных горно-тектонических уда­ ров и 1800 горных ударов различной формы и характера проявления. Кроме этого, многие крупные аварии на шахтах и рудниках Кузбасса имеют признаки геодина­ мической природы. Заметно активизировалась сейсмическая активность Кузбасса.

Сейсмическая активность недр Кузбасса заметно акти-визировалась в после­ днюю четверть века. Самый крупный всплеск сейсмической активности сопровож­ дал период резкого спада объемов добычи угля в 1988-1993 гг. П рактически все зарегистрированные в этот период события происходили вблизи крупных центров угледобычи. Большая их часть имела магнитуду 1,5-3,0, и лишь в начале и в конце этого периода, были зарегистрированы несколько событий с магнитудами 3-4.

В первую половину описываемого периода (1988-1991 гг.) сейсмическая ак­ тивизация охватила, главным образом, территорию Горной Ш ории в окрестнос­ тях его крупнейш его Таш таголо-Ш ерегеш ского горнодобы ваю щ его комплекса.

За период с января 1988 г. по февраль 2001 г. на его территории было зарегистри­ ровано более 80 сейсмических событий с магнитудой 1,7-4,0.

Во вторую половину этого периода 1991-1993 гг. зона сейсмической активности переместилась в окрестности Ю жной границы К узнецкого бассейна и сосредо­ точилась вдоль терри тори й угледобы чи г. М еж дуречен ск - пос. М алиновка.

За период с января 1992 г. по январь 1995 г. здесь произош ло более 40 сейсмичес­ ких событий с магнитудой 1,7-3,3.

После периода спада начался стабильно нарастающий объем добычи угля, рез­ кая интенсификация технологий открытой и подземной добычи, увеличение глуби­ ны разработки, освоение новых площадей угледобычи. Это обстоятельство, а также осуществленное в последние годы массовое затопление угольных шахт бассейна, дало резкое увеличение уровня техногенной нагрузки на недра, и заметно отрази­ лось в повышении природной сейсмической активности недр региона [1].

К роме того, в сентябре 2003 г. Кузбасс испытал воздействие крупнейш его за последние тридцать лет транзитного горноалтайского зем летрясения, надолго наруш ивш его равн овесн ое состояние его недр. Его воздействие на прилегаю ­ щие к очагу территории оказалось гораздо выше, чем воздействие ранее проис­ ходивших на тер р и тори и Горного А лтая зем летрясений аналогичного класса.

Н еобы чайн о вы сокий энергети чески й эф ф ек т п оследн его Г орн о-алтай ского землетрясения специалисты связывают с особенностями физики его очага, в ко­ торой преобладали не вертикальные (как обычно), а горизонтальны е смещ ения земной коры.

Н егативны е последствия Горно-алтайского зем летрясения проявляю тся до настоящего времени в развитии вторичных форм сейсмической и геодинамичес­ кой активности:

- в затянувш ейся ф азе сейсмической активизации недр;

- в развитии новых форм сейсмической активизации, получивших в настоя­ щее время распространение, преимущественно, вблизи крупных промышленных центров;

- в инициации процессов газодинамической и гидродинамической природы.

В прошедший после Горно-алтайского землетрясения период времени в Куз­ бассе произошли качественные изменения в режиме сейсмической активности недр региона:

• Н а смену преобладавш его ранее «рассеянного» распределения сейсмичес­ ких событий пришли локально сгруппированные очаги землетрясений.

• Произош ло продвижение фронта сейсмической активности на север.

• А ктивизировалась сейсмика Ерунаковского геолого-промышленного райо­ на в створе направления, проходящего через угольные разрезы - «Ерунаковский» Сартаки».

• Эпицентры землетрясений приблизились к границам шахтных полей и ра­ бочих поселков.

В озникли новы е ф орм ы п роявл ен и я сейсм ических п роцессов в рай он ах крупных промышленных центров - это «роевые» проявления малоэнергетических сейсмических событий на локальных территориях, происходящих в основном на глубинах до 3-5 км.

П ервы е явления подобного типа были зарегистрированы в начале 1988 г.

в районе поселка К очура, (вблизи г. Таш тагола). Н ачало этой серии полож ило произош едш ее в окрестностях поселка 5.02.1988 г. зем летрясение с магнитудой 4.0, после которого возник целый поток сейсмических событий, сотрясавших зем­ ную поверхность в течение нескольких месяцев. С максимальной магнитудой до 3.0. Постепенно на протяжении 3-4 лет сейсмическая активность территории по­ селка снизилась до энергетического класса 4-5, при этом ежегодно снижалось и количество зем летрясений. В настоящ ее время (1.10.2009 г.) в районе поселка класс этих событий низкий - (к = 2-4).

В сентябре 2005 г. подобные явления возникли в районе г. Осинники в окрес­ тностях поля шахты «Осинниковская». В отличие от ранее происходивших в ука­ занном районе слабых активизаций сейсмических процессов с периодичностью 6-8 лет, последняя серия сейсмических событий оказалась беспрецедентно про­ должительной и активной. Только за один месяц их инструментальной регистра­ ции в конце 2005 г. (не в самую активную их фазу) число зарегистрированных здесь, с помощью передвижной сейсмостанции Алтае-Саянского филиала геофизической службы СО РА Н, сейсмических толчков составило более 200. Серии толчков про­ должаются и в настоящее время.

При этом, практически все зарегистрированные события тяготели к району пересечения двух геодинамически активных разломов (рис. 1).

Признаки развития подобных явлений со временем проявились и вблизи дру­ гих промы ш ленны х зон Кузбасса: в окрестностях П рокоп ьевска, Киселевска, Мысков, Полысаево, М еждуреченска (2007, 2008, 2009 гг.). Очевидно, подобные проявления локальных потоковых сейсмических процессов представляю т собой новые реалии современного состояния недр региона и требуют учета их в практи­ ке поиска решения связанных с ними проблем.

Серьезную социальную озабоченность с 2007 г. и по настоящ ее время созда­ ют сейсмические роевые события в г. Полысаево.

Наблюдаемые в последнее время тенденции развития сейсмической обстанов­ ки в Кузбассе указывают на возможность ее дальнейшего обострения.

Вопрос о влиянии происходящих в недрах Кузбасса землетрясений на состоя­ ние подземных горных работ является слабо изученным. Имеются многочислен­ ные свидетельства провоцирую щей роли сейсмических событий на проявление крупных самообрушений кровли и раскрытия суфлярных газовыделений в горных выработках. В то же время имеются свидетельства ослабляю щ его влияния под­ земной горной среды на разрушительный потенциал сейсмических волн.

Проведение на разрезах Кузбасса промышленных взрывов представляет са­ мостоятельный фактор сейсмического риска.

Многие из происходящих в Кузбассе в последние годы крупных аварий име­ ют геодинамическую природу и происходят при косвенном или прямом участии процессов сейсмической или геодинамической природы. Для квалификационной оценки провоцирующей роли этих факторов в проявлении аварий часто бывают недостаточны описательные характеристики «с места аварии» и даж е полученные после аварии инструментальные оценки состояния недр.

Т рактовка природы происходящих аварий различными экспертны ми груп­ пами во многих случаях оказы вается неоднозначной, при этом практически все эксперты отм ечаю т деф и ци т инф орм ации о состоянии недр. Т ради ци он ной п рактикой ком иссионны х расследований крупных аварий в п оследние годы стала организация запросов на ближайш ие к месту событий сейсмостанции (Анжеро-С удж енскую, Кемеровскую, Таш тагольскую, сейсмостанции А лтае-С аянской сейсмологической сети) о наличии предшествующ их или сопутствующих этим авариям сейсмических событий. В ряду наиболее важных, обычно рассмат­ риваю тся вопросы о возможной провоцирующей роли сейсмических событий, влиянии процессов сейсмического и геодинамического характера на проявле­ ние аварий.

структур в г. О синники. Круж ками обозначены эпицентры сейсмических событий. Сплошными и штриховыми линиями - геодинамически активные структуры на поле шахты Осинниковская.

мических процессов в районах ликвидированных в ходе реструктуризации уголь­ ной отрасли Кузбасса с затоплением 43 угольных шахт.

Кроме вышеизложенных проблем, Кузбасс абсолютно не подготовлен к реа­ лиям новых условий ведения горных работ:

- высоких скоростей подвигания очистных и подготовительных забоев;

- увеличившихся глубин разработки до 900-1000 м;

- значительной длины лав по падению пласта - до 300 м;

- полного отсутствия нормативных документов на базе новых знаний о пове­ дении геологической среды при интенсивной эксплуатации недр.

Все указанные проблемы требуют повышения уровня научного сопровожде­ ния, расширения исследований на основе мониторинговых наблюдений.

В Кузбассе накоплен значительный опыт различных видов мониторинговых наблюдений по контролю и прогнозу геодинамического состояния горных масси­ вов, позволивших получить некоторые качественно новые знания о недрах [2]. Это создает определенные предпосылки для решения проблем адаптации технологий добычи к условиям активной геодинамики недр и их безаварийной эксплуатации.

Так, на рис. 2 представлены результаты мониторинговых наблюдений на од­ ном из проблемных участков угледобычи в Кузбассе - на пласте ХХУП шахты «Пер­ вомайская» при длине лавы по падению 300 м на глубине 600 м от поверхности.

После проявления в лаве № 33, отрабатываемой по этому пласту, серии динамичес­ ких и газодинамических явлений, ВНИМ И были организованы продолжительные серии мониторинговых геофизических наблюдений, продолж авш ихся практи­ чески до выхода забоя лавы из зоны повышенной геодинамической опасности.

Рис. 2. Результаты геофизического мониторинга напряженного состояния забоя лавы № 33 по пласту XXVII шахты «Первомайская» в период активизации динамических и газодинамических явлений в отрабатываемой лаве. Зоны концентрации напряж ений сяцев (с июля 2006 г. по август 2007 г.), с общим объемом произведенных наблюде­ ний порядка 60 циклов. Все циклы наблюдений выполнены по единой схеме, од­ ной и той же аппаратурой, в одних и тех же створных направлениях (по номерам секций), что обеспечивало их полную сопоставимость.

Н а графиках рис. 2 отображена лишь небольшая выборка из пяти последова­ тельных циклов наблюдений, выполненных при «пошаговом» уходе забоя лавы в период наиболее активного развития динамических явлений. Как видно из пред­ ставленных на рис. 2 графиков, результаты геофизического мониторинга достаточ­ но наглядно отражали наблюдавшийся в тот период опасный характер миграции зон повышенной концентрации напряжений (темные тонированны е области на графиках) и постепенное смещение эпицентральных областей этих зон от верхней части лавы (где они проявлялись в первую очередь) к её нижней части.

По результатам проводивш егося геофизического мониторинга принимались решения, позволившие безаварийно отработать лаву в сложнейших условиях.

Есть определенны е положительные итоги ф ункционирования инж енерной сейсмологической сети Кузбасса, такие как:

• Безусловное подтверждение статуса сейсмоопасности территории области.

• Обеспеченная в ходе сейсмологических наблюдений существенная детали­ зация картины строения сейсмоопасных зон.

• Возможность ответа на ряд практически важных для нашей территории и её горно-добывающей отрасли вопросов.

За три года сейсмологических наблюдений на территории Кемеровской области выделены 4 сейсмически активные зоны, в основном опоясывающие крупнейшие промышленные мегаполисы Кузбасса. Все они входят в ареолы промышленных зон Междуреченской, Новокузнецкой, Белово-Ленинск-Кузнецкой, Кедровско-Черниговской. В окрестностях указанных зон сосредоточены не только очаги промыш ­ ленных взрывов но и более 90% очагов всех зарегистрированных сейсмических событий «невзрывной» природы (рис. 3).

Комплексный мониторинг маркш ейдерско-геодезических, гидрогеологичес­ ких и сейсмологических наблюдений в районе затопленных шахт, выполняемый ВНИМ И на специально оборудованном Анжеро-Судженском полигоне в минув­ шем 2008 г. (а также по нарастающему итогу - за весь десятилетний период эксплуа­ тации полигона) позволил установить продолжающееся активное развитие различ­ ных форм геодинамических процессов после окончания затопления, в том числе:

- Активные воздымаю щ ие движения земной поверхности на ю го-западной окраине г. А нж еро-Судженск (в районе эпицентров ранее произош едших здесь в 1997 г. двух землетрясений), достигшие на отдельных участках за весь период наблюдений 250-350 мм, в том числе 30-80 мм - в 2008 г.;

- Развитие контрастных знакопеременных деформаций на западной и северозападной окраинах города, где, несмотря на умеренные по абсолютной величине вертикальные смещения (120-130 мм), проявляется наиболее опасная для эксплу­ атации зданий и сооружений дискретная форма этих деформаций. Только за 2008 г.

размах амплитуд вертикальных движений земной поверхности на городской ок­ раине (профильные линии Тяж инская, Лебедянская) достигал 30-50 мм;

- Дальнейш ее развитие получили направленные горизонтальны е смещения земной поверхности в форме «надвигания» подстилающей геологической толщи со стороны Томского надвига и горных отводов затопленных шахт в сторону ж и­ лых застроек г. Анжеро-Судженска;

йрокопь4бск-1 елеескЬ ] Рис. 3. П редполагаемые зоны ответственности интегрированны х систем горного мониторинга в основных промышленных центрах Кузбасса.

Круж ками обозначены эпицентры сейсмических событий, происходивш их на территории Кемеровской области. Квадратами - сейсмические станции тории полигона в C3-IOB направлении до 5 мм в год, совпадающее с направлением действия сжимающих нагрузок в Алтае-Саянском регионе (на основе режимных GPS-наблюдений). У казанное обстоятельство подтверждает общую природу гео­ динамических нагрузок в недрах Кузбасса, и подчиненность их единому сцена­ рию развития геодинамических процессов, рождающихся в Алтае-Саянской зоне складчатости;

- Установлены сопутствующие деформационным процессам эффекты эм ана­ ции газов в подвальные помещ ения и жилые строения из подстилающей геологи­ ческой среды на территории полигона, в которой преобладали газы С О, и С Н 4;

- Н а территории полигона продолжалось развитие провалообразования;

- О тмечена неустойчивость режима подземных и грунтовых вод после затоп­ ления шахт и наличие гидравлической связи между основными водоносными го­ ризонтами;

- Зафиксированы достаточно резкие скачки напоров подземных вод вблизи выходов отработанных пластов под наносы, очевидно связанны е с продолж аю ­ щимся на этом участке недр активным развитием деформационны х процессов.

Зарегистри рованн ы е на А нж еро-С удж енском геодинам ическом полигоне процессы, скорее всего, являю тся общими и для других территорий Кузбасса, в первую очередь на горных отводах действующих и затопленны х угольных шахт.

Для получения научных выводов по итогам проведенны х наблю дений требуется проведение системного научного анализа полученных результатов и увязка всех слагаемых выполненных работ с режимом сейсмической активности недр всего Кузбасса.

П рактика развития мировой горной индустрии привела к пониманию необхо­ димости и практической реализации задачи создания локальных систем непре­ рывного горного сейсмологического мониторинга угольных шахт, разрезов и руд­ ников во всех мировых центрах горнодобывающей отрасли. В настоящ ее время наличие этих систем рассматривается как неотъемлемый стандарт безопасного ос­ воения недр.

Данные системы мониторинга реально используются в угольных бассейнах СШ А, Канады, Польши, Ю АР Великобритании, Ш веции, Ф инляндии, Австралии Бразилии, Чили и др. В СССР и России такие системы, разработанны е институтом ВНИМ И, созданы и успеш но функционируют, преимущественно, на предприяти­ ях горнорудной п ром ы ш ленности (Н орильск, А патит, С У БРа, Х инган и др.).

В Кемеровской области на протяжении 30 лет такая система успеш но действует в г. Таштаголе, обеспечивая контроль геомеханического состояния недр и своев­ ременного вывода работаю щ его персонала из опасных зон.

В настоящ ее время В НИМ И завершила запуск системы горного сейсмологи­ ческого мониторинга шахтных полей Воркуты. К сожалению, ни на одной из дей­ ствующих шахтах К узнецкого бассейна данный мониторинг не ведется, не смотря на то, что требование строительства сейсмостанций и осуществления сейсмомо­ ниторинга недр на горных предприятиях включено в качестве обязательной нор­ мы в действующую нормативную базу угольной отрасли.

Таким образом, при высоком научном потенциале К емеровской области ве­ дущий угольный бассейн страны - Кузбасс оказался аутсайдером в вопросах со­ здания систем горного мониторинга безопасного освоения недр. В то же время, создаваемая в рамках программы «Сейсмобезопасность территории Кемеровской принципиально не в состоянии, учитывая предусмотренный уровень разреш аю ­ щей способности сети по выявлению местоположений сейсмических явлений (по­ рядка 2000 м), реш ать задачи горного сейсмологического мониторинга глубоких опасных действующих шахт и осваиваемых участков недр.

М ировая практика, подтвержденная в Кузбассе многолетним опытом мони­ торинговых наблюдений на действующих шахтах, а такж е опытом сейсмологичес­ ких наблю дений за состоянием горных отводов закрыты х шахт «А нж ерская» и «Судженская» (А нжерский геодинамический полигон Кемеровского Представи­ тельства В Н И М И ) показывает, что для обеспечения разреш аю щ ей способности порядка 50 м, подобная сеть долж на включать в себя одну центральную и распо­ ложенные в районе горных отводов шахт специальные периферийны е станции.

Причем последние могут осуществлять контроль состояния нескольких шахтных полей одного района Сконструированная подобным образом система горного мониторинга в вы­ деленных зонах риска (см. рис. 2) должна обеспечить:

- оценку безопасного состояния недр на участках развития горных работ:

- предупреждение персонала шахт о необходимости покинуть опасную зону в связи с надвигающимся явлением;

- выявление участков повышенного геодинамического риска;

- уточнение природы возникающих аварийных ситуаций;

- оценку и учет влияния сейсмических воздействий внешних (транзитных) зем­ летрясений и промышленных взрывов.

1. Сейсмичность территорий угледобычи в Кузбассе в перспективе будет рас­ ти. Даже при магнитуде по Рихтеру этих событий 2-3 бала, сотрясаемость земной поверхности может оказаться достаточно ощутимой (до 4-5 баллов по шкале М СК) в виду малой глубины гипоцентров;

2. Возникшие в Кузбассе роевые сейсмические проявления с низкой энерге­ тикой и малыми глубинами, - безусловно имеют связь с длительной эксплуатаци­ ей недр Кузбасса. Однако, порождаются они не только техногенными, а прежде всего природными нагрузками, связанными с современными геодинамическими процессами. Деятельность горных предприятий оказывает лиш ь провоцирующую роль (своего рода роль спускового крючка);

3. Развитие роевых сейсмических явлений при всем их негативном воздействии на земную поверхность и недра не следует рассматривать как процессы кризисно­ го характера. Это естественная разрядка накопившихся в недрах напряжений, ко­ торые в иных, более неблагоприятных условиях могли бы реализоваться в более крупные землетрясения с той же суммарной энергией.

4. Н аблю даемая активизация сейсмических процессов в ареолах действую­ щих шахт ставит на повестку дня вопросы организации непреры вного горного (в первую очередь сейсмологического) мониторинга недр и научного сопровож ­ дения процесса угледобычи и геодинамики недр в крупнейш их угледобывающих центрах Кузбасса. И меется богатый опыт реш ения этих задач (вклю чая вопросы их законодательного регулирования) на шахтах Воркуты, Субра, Н орильска, Ткибули. В К емеровской области многие годы действует отлаж енная система сейс­ мологического мониторинга на Таш тагольском руднике.

5. Считаем актуальной постановку вопроса о регламентном и законодатель­ ном закреплении требований проведения горного сейсмологического мониторинга недр в пяти крупнейш их территориальных центрах угледобычи - М еждуреченском, Н овокузнецком, Прокопьевск-К иселевском, Белово-Л енинск-К узнецком, К ем ерово-Березовском.

1. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.И. Техногенная сейсмичность Кузбасса. СПб.: ВН И М И, 1999.

2. Лазаревич Т.И., Мулев С.Н. О пыт мониторинговых наблюдений геодинамических процессов в Кузбассе. СПб.: ВН И М И, 1997.

ВАРИАЦИИ И АНИЗОТРОПИЯ

СКОРОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

В НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ НА ГЛУБОКИХ

РУДНИКАХ

Ведение горных работ ещ е более усложняет эту картину. Д виж ение забоев, проходка выработок, замена извлеченной породы на закладочный материал или разрыхленную массу существенно искажают сейсмические разрезы отрабатывае­ мых массивов. К пространственным вариациям добавляю тся ещ е и временные, связанные как с самими изменениями геометрии массива, так и с изменениями его напряж енного состояния. И сследования техногенных временных вариаций сейс­ мических разрезов имеют двоякий смысл. Во-первых, знание скоростей распрост­ ранения волн необходимо для ведения сейсмического мониторинга на рудниках и шахтах и повы ш ения точности локации геодинамических событий. Во-вторых, повыш ения или снижения скоростей сейсмических волн сами указывают на сте­ пень напряж енности различны х участков горного массива и являю тся одним из признаков готовящихся динамических событий.

Измерения, проведенны е на глубоких рудниках ГМ К «Н орильский никель», что одновременно наблюдаю тся два типа временных изменений скоростей:

1. Вариации скоростей, при которых (как и следует из физических законов и просто здравого смысла) скорость распространения одинакова при пробеге вол­ ны в обе стороны.

2. Второе явление носит парадоксальный характер и заклю чается в сущ ествен­ ных различиях скоростей при пробеге волны из точки А в точку Б и, наоборот, из точки Б в точку А. Н а первы й взгляд, такое поведение волн противоречит и физическим законам, и здравому смыслу, но тем не менее, оно многократно ф ик­ 1-2%, которые мож но было бы отнести к погреш ностям регистрации и выделения вступления волны, а достигаю т 10-15%, от которых уже нельзя так легко отмах­ нуться.

I. К ак показал анализ, за несколькими исключениями (которые прежде всег объясняются расположением гипоцентров взрывов далеко от лучей, соединяющих сейсмопавильоны) наблюдается четкая закономерность. П ри распространении волн из напряженной области массива скорость выше, чем при распространении волн из разгруженной области, и чем больше разница в уровне напряженности в области формирования волн, тем больше разница в скоростях распространения волн.

Суть явления, известного в сейсморазведке, заклю чается в условиях форми­ рования волны. О днако в сейсморазведке эти различия приводят к различиям ско­ ростей на уровней 1-2 % и ниже, а на глубоких рудниках они достигают 10-15%.

Механизм задержки в разгруженных областях массива состоит в большом затухании волн, медленной «раскачке» массива и соответственно формирования источника ко­ лебаний. П ервы е колебания очень слабы (рис. 1) и соответственно не доходят до приемника колебаний. В напряж енной области волна формируется быстрее, и до приемника доходят волны, относящ иеся к более ранним стадиям формирования источника сигнала. П р и использовании в качестве источника сигнала промы ш ­ ленных взрывов важную роль такж е распределение ВВ по ступеням замедления.

Если на первых ступенях замедления масса ВВ была мала (например, вруб при проходке вы работок), то различие в скоростях волн дополнительно меняется приемник фиксирует как вступление волну не от первой ступени замедления. Если, наоборот, в первой ступени замедления взрывалась больш ая масса ВВ, то «раскач­ ка» происходит интенсивнее, и разность скоростей при пробеге волны в разные стороны сокращ ается.

Рис. 1. Схема различий формирования волн в напряженных и разгруженных областях массива.

На рисунке условно принято, что до приемника из разгруженной области доходит только пятое колебание, а из нагруженной - второе, соответственно к общему времени прохождения волны из разгруженной области прибавляется задержка величиной At.

женных участках массива - это раскрытие трещ ин и ухудшение условий прохож­ дения волн. Н екоторое влияние имеет изменение состояния самой породы, но по сути это тож е самое явление, только проявленное на микроуровне - раскрытие/ сжатие микротрещин. Отметим, что при дальнейшем нагружении массива, когда напряж ения превыш аю т предел прочности, происходит прорастание трещ ин, и скорость может уже не расти, а падать, однако эти явления относятся к таким уровням напряженности, которые отчетливо проявлены в резком увеличении сейсмоактивносги и удароопасности. В то же время сжатие природных и вновь обра­ зованных трещ ин может, наоборот, вести к росту скоростей. П оэтому изучение временных вариаций скоростей распространения волн в особо напряженных уча­ стках массива является темой отдельных исследований.

П. Второе явление - снижение (рост) скоростей распространения волн по от­ дельным направлениям (анизотропия скоростного разреза) основан на том же яв­ лении. Н а естественную анизотропию, определяемую различиями породного со­ става и тектонических напряжений, накладывается дополнительная анизотропия, вы званная р азн ой техногенной напряж енностью различны х участков массива, вызывающая дополнительное раскрытие (закрытие) трещ ин. Таким образом, на самом деле оба типа изменений скоростей очень близки между собой. Различие между ними состоят в том, что первый охватывает лиш ь участок расположения источника и проявляется при формировании волны, а второй - проявляется при прохождении волны и охватывает весь ее путь до сейсмоприемника.

Теоретические исследования механизмов распространения в сухих и обвод­ ненных трещ иноватых массивах были проведены авторами в работе [1]. Исследо­ вания показали, что существует три механизма распространения волн через тре­ щины - прохождения через стационарные и образовавшиеся под действием волны точки (области) смыкания, многократные отраж ения в заполнителях трещ ин и диф­ ракция. В больш инстве случав наиболее сущ ественна роль многократны х отра­ жений. Н а процесс распространения волн через трещ ины важ нейш ее влияние оказываю т количество трещ ин, суммарное толщ ина трещ ин, ее распределение по отдельным трещ инам, свойства материала - заполнителя трещ ин, а такж е статис­ тические характеристики системы трещ ин - прежде всего, дисперсия расстояний между трещ инами.