Обоснование геомеханических факторов для диагностики опасности карстопроявлений при недропользовании

В современных условиях рыночной экономики особенно остро встает вопрос рационального использования территорий для строительства и эксплуатации объектов недропользования, поскольку опасные геологические процессы делают огромные экономически выгодные территории непригодными для использования. Карстопроявления занимают особое место среди опасных процессов, происходящих в земной коре, по степени скрытости его протекания, внезапности проявления, катастрофичности последствий и трудности прогнозирования.

Только в России карстовым деформациям подвержено около 13% территории, в том числе в пределах более 300 городов и тысяч более мелких поселений, в которых проживают 19% населения страны. Суммарный экономический ущерб от карстового и тесно связанного с ним суффозионного процесса составляет в России, по экспертным оценкам, от 30 до 45 млрд руб. в год.

В науках о Земле хорошо изучены причины, условия возникновения4 и развития карста. Для использования накопленных знаний в целях повышения эффективности и обеспечения безопасности освоения карстоопасных районов необходимо увязать процессы карстообразования с геомеханическими процессами деформирования вмещающих пород и налегающей толщи и воздействием последствий их проявления на объекты недропользования.

Проблеме4″ изучения* условий и закономерностей развития карста, способам и методам инженернойзащиты от него, прогнозированию проявлений карста и оценке карстоопасности при освоении территорий посвящены работы многих известных российских и зарубежных исследователей, таких как Г. А. Максимович, А. А. Крубер, Н. В. Родионов,.

ЬГ. А. Твоздецкий, Д. С. Соколов, И. А. Саваренский, В. М. Кутепов, JI. А.

Молоков, М. С. Газизов, А. В. Ступишин, В. И. Мартин, И. А. Печеркин, К.

А. Горбунова, В. В. Толмачев, J. Corbel, J. Jarin, A. Bogli и другие. Вопросам 4 инженерно-геологического изучения карста посвящены работы В! Д. Ломтадзе, В. С. Лукина, А. Г. Чикишева, Б. Н. Иванова. Гидрогеологические условия развития карста исследовались Н. Д. Будановым, В. Ф. Прейсом, Н. С. Шабалиной, В. П. Новиковым, И. И. Плотниковой, С. В. Палкиным. Разработкой геофизических методов изучения карстопроявлений занимались А. А. Огильви, Л. В. Пинягина, П. В. Вишневский, А. А. Абрамов. Вопросам оценки карстовой опасности посвящены работы 3. А. Макеева, В: В. Толмачева, Ф. Ройгера, X. Молека, И. А. Саваренского, Н. А. Миронова, Г. Н. Дублянской и В. Н: Дублянского.

Широкий круг ученых, занятых в этой области объясняется чрезвычайно широким распространением и многообразием карстовых проявлений, активно влияющих на безопасность жизнедеятельности людей.

Анализ современного состояния и изученности проблемы опасности карстопроявлений показал, что общепринятой интегральной мерой рассматриваемой опасностидо последнего времени являлась среднемноголетняя интенсивность провал ©-образования. (случаев провалов/км год), предложенная! З. А. Макеевым. Все: методы исследования карстоопасного массива существующие на настоящий момент времени, сводятся-, как правило, к определению потенциально опасных с точки зрения карстообразования участков и ограничению строительства и эксплуатации объектов недропользования на этих территориях. Методы, позволяющие непосредственно оценивать карстовую опасность для объектов недропользования лишь, начинают внедряться в практику проектирования в карстовых районах.

В настоящее время1 делаются попытки математического моделирования обрушения налегающих пород над карстовой полостью А. К. Федосеевым. Однако в модели развития процесса обрушения? используются идеализированные среды, не учитывающие особенностей массива горных пород налегающей толщи и происходящие в ней геодинамические процессы.

В* работе исследована роль геомеханических и геодинамических 5 факторов в развитии карстопроявлений, разработана методика диагностики карстопроявлений территорий для безопасного строительства и эксплуатации объектов в различных областях экономики, связанных с недропользованием.

Разработанные технологии предотвращения, снижения риска и тяжести последствий катастроф, связанных с процессами карстопроявлений имеют широкую перспективу использования в различных областях экономики, связанных с недропользованием, а именно:

— добыча всех видов твердых полезных ископаемых;

— добыча и транспортировка нефти и газа;

— строительство;

— транспорт;

— инженерные сети коммунального хозяйства населенных пунктов.

Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований: грантов.

РФФИ № 06−05−66 404 (2006;2008 гг.) и № 07−05−613 (2007;2009 гг.) — федеральной целевой программы № 2007;5−1.5−21−03 (2007 г.) — приоритетной программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 13 (2006 г.) — интеграционной программы совместных исследований УрО РАН с СОР АН (2009 г.) — программ отделения*наук о Земле РАН № 5 (2006 г.) и № 6 (2008 г.) — Госконтракта № 02.740.11.0317 (2009 г.).

Объект исследований.— карстоопасный массив горных пород.

Предмет исследований. — процессы деформирования в карстоопасных массивах и их влияние на объекты недропользования.

Цель исследований. Заключается. в исследовании геомеханических процессов и явлений, происходящих в районах распространения поверхностного и подземного карста, а также их влияния на активизацию карстообразования и параметры сдвижения от подземных карстовых пустот для оценки безопасности объектов недропользования в зоне их влияния.

Основные задачи исследований:

— анализ современного состояния и изученности опасности карстопроявлений, методов изучения карста и прогнозирования вредного 6 влияния на объекты недропользования;

— изучение геомеханических процессов, происходящих на карстоопасном участке, и построение его геомеханической модели для определения параметров сдвижения от карстовых пустот;

— обоснование методов исследования массива горных пород при построении геомеханической модели;

— разработка методики оценки опасности карстопроявлений с точки зрения выхода процесса сдвижения на земную поверхность, а также влияние погребенного карста на устойчивость объектов недропользования;

— промышленные эксперименты по проверке разработанной методики для решения конкретных задач обеспечения безопасности строительства и эксплуатации объектов недропользования на закарстованных территориях.

Основная идея работы заключается в организации комплексного мониторинга геомеханических процессов в приповерхностной части земной коры, основанном на сочетании как традиционных (бурение скважин и геодезические наблюдения за деформациями), так и геофизических методов для прогноза и контроля развития карстообразования и сдвижений горных пород на урбанизированных территориях и изучении" геодинамики закарстованной территории.

Основные защищаемые положения:

1 Активизация карстопроявлений" происходит В1 зонах тектонических нарушений, обладающих высоким? уровнем современных трендовых и циклических геодинамических движений. Современные движения поддерживают горный массив в дезинтегрированном состоянии, вызывают образование новых и раскрытие существующих трещин, определяющих снижение прочностных характеристик и повышенную водопроницаемость породного массива.

2 Опасность карстопроявлений' выражается, в развитии деформационных процессов на земной, поверхности. Параметры деформации поверхности зависят от глубины залегания, морфологии и степени 7 заполнения карстовой полости. Современное развитие деформационных процессов определяется степенью изменения геомеханических и гидрогеологических характеристик массива горных пород под воздействием природной и техногенной геодинамической активности геологической среды.

3' Применение систем спутниковой геодезии в сочетании с геофизическими методами изучения приповерхностной части геологической среды (электрометрия, спектральное сейсмопрофилирование, георадарное зондирование) позволяет обосновать объемную модель геологического строения и определить количественные характеристики геодинамической подвижности карстоопасного участка. Полученная структурно-динамическая модель массива горных пород выступает в качестве геомеханической основы достоверного выявления и прогнозирования развития опасных карстопроявлений.

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1 Выявлены основные геомеханические факторы, определяющие опасность карстопроявлений, — современная геодинамическая активность тектонических нарушений, трансформация свойств пород в тектонических нарушениях и изменение гидродинамического режима.

2 Обоснованы, принципы определения степени карстовой опасности на основании расчета возможности выхода процесса сдвижения от карстовых полостей на земную поверхность.

3 Разработана и успешно опробована новая методика диагностики карстопроявлений и параметров образующихся пустот геофизическими и геодезическими методами.

Практическое1 значение работы. Разработанная методика диагностики карстопроявлений позволяет обеспечить безопасное освоение закарстованных территорий. Результаты диссертации использованы для решения практических задач определения причин карстопроявлений и выдачи рекомендаций по безопасной эксплуатации объектов различного 8 назначения на закарстованных территориях Урала и Сибири.

Достоверность научных положений подтверждается положительным результатом большого объема экспериментальных работ в полевых условиях, использования проверенных методов исследования структуры горного массива и геодинамической активности, численного сопоставления результатов промышленных экспериментов с модельными представлениями, использования защищаемых в диссертации положений отделом геомеханики ИГД УрО РАН при решении задач обеспечения безопасности строительства и эксплуатации объектов недропользования на закарстованных территориях.

Личный вклад автора состоит в проведении натурных наблюдений, сборе, анализе и систематизации данных практики и ранее проведенных исследований. Лично автором разработана методика изучения геомеханических параметров карстоопасного массиваустановлены критерии устойчивости, деформирования и обрушения земной поверхности от карстовых полостейустановлена взаимосвязь между геодинамической активностью карстоопасной территории и выходом воронок обрушения от карста на земную поверхность.

Реализация работы осуществлена при исследовании процессов сдвижения и решении вопросов охраны объектов, находящихся! в пределах развития карста, на Качканарском ГОКе, Высокогорском ГОКе, ОАО «Илецксоль», СУБРе, объектах линейных инженерных сооружений г. Сургута и ОАО «Уралтрансгаз», при производстве инженерных изысканий в>Пермском крае и на других объектах недропользования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 1999, 2000, 2007, 2009 гг.), «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), молодежных научно-практических конференциях «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2007, 2009, 2010 гг.) — на технических совещаниях по решению проблем карстопроявлений (ОАО Высокогорский ГОК, ОАО «Илецксоль», Качканарский ГОК, СУБР, ОАО «Уралтрансгаз»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ. Основные положения диссертации и методика исследований изложены в 16 работах, в том числе 7 в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 189 страниц машинописного текста, в т. ч. 8 таблиц и 72 рисунка.

Список использованных источников

включает в себя 102 наименования.

Выводы.

1 Практическая проверка разработанной методики на объектах недропользования для решения задач сохранения действующих инженерных сооружений, их безопасной эксплуатации, а также для обоснования возможности строительства новых инженерных сооружений показала, что:

— разработанные методы геофизической и геодинамической диагностики карстоопасного массива позволяют достоверно определить исходные параметры, требуемые для оценки степени его опасности;

— теоретически обоснованные зависимости подтверждаются натурными экспериментами и заверены разведочным бурениемиспользование полученных зависимостей устойчивости налегающей толщи карстовых пустот от тектонической нарушенности и современной геодинамической активности массива позволяет диагностировать карстоопасный массива на предмет деформирования земной поверхности.

2 Использование разработанной методики диагностики карстопроявлений при исследованиях на Красногорском участке газопровода «Бухара-Урал» сделало возможным предсказать места выхода карстовых провалов, их размеры и степень опасности этих процессов при эксплуатации газопровода.

3 Исследования, проведенные в районе подъездной железной дороги Высокогорского ГОКа, позволили определить площадь опасных деформаций с определением границ безопасного строительства объездной ветки.

4 Диагностика опасности карстопроявлений при проведении инженерно-геологических изысканий на участке строительства мостового перехода и антенных мачт мобильной связи определили возможность их строительства на указанных участках с обоснованием их безопасной эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе выполненного комплекса исследований в диссертационной работе решена важная научно-техническая задача: оценки опасности карстопроявлений с учетом важнейших геомеханических факторов — структурно-тектонического строения массива и геодинамической активности тектонических нарушений. Разработанные в диссертации методики позволяют непосредственно оценивать карстовую опасность и делают возможным прогнозирование деформаций земной поверхности от сдвижения карстовых пустот. Это повышает безопасность строительства и эксплуатации объектов недропользования в районах распространения карста, позволяет привлечь для строительства территории, ранее относящиеся к разряду карстоопасных.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 Установлены основные закономерности активизации карстопроявлений на земной поверхности. Активизация карстопроявлений возможна только в условиях повышенной водопроницаемости карстоопасного массива, которая в первую очередь зависит от наличия тектонических нарушений и их современной геодинамической активности.

2 Доказано, что опасность карстопроявлений определяется возможностью и параметрами выхода процессов обрушения на земную поверхность. Параметры деформации поверхности зависят от глубины залегания, морфологии и степени заполнения карстовой полости. Современное развитие деформационных процессов определяется степенью изменения геомеханических и гидрогеологических характеристик массива горных пород под воздействием природной и техногенной геодинамической активности геологической среды.

3 Обоснованы основные методы изучения геомеханического состояния и современной геодинамической активности карстоопасного массива для построения его геомеханической модели. Применение систем спутниковой геодезии в сочетании с геофизическими методами изучения приповерхностной части геологической среды (электрометрия, спектральное сейсмопрофилирование, георадарное зондирование) позволяет обосновать объемную модель геологического строения и определить количественные характеристики геодинамической подвижности карстоопасного участка. Полученная структурно-динамическая модель массива горных пород выступает в качестве геомеханической основы для достоверного выявления и прогнозирования развития опасных карстопроявлений.

4 Произведена практическая проверка разработанной методики на объектах недропользования для решения задач, связанных с выявлением причин провалообразования, ликвидацией последствий карстопроявлений, диагностикой и обоснованием безопасного строительства и, эксплуатации сооружений на карстоопасных участках. Проверка показала, что:

— разработанные методы геофизической и геодинамической диагностики карстоопасного массива позволяют достоверно определить исходные параметры, требуемые для оценки степени его опасности;

— теоретически обоснованные зависимости подтверждаются натурными экспериментами и заверены разведочным бурениемиспользование полученных зависимостей устойчивости налегающей толщи карстовых пустот от тектонической нарушенности и современной геодинамической активности массива позволяет диагностировать карстоопасный массива на предмет деформирования земной поверхности.

5 Применение решений, полученных в работе, и внедрение их в практику позволит обеспечить безопасность объектов недропользования в карстоопасных областях и вовлечь новые, ранее не используемые земли для жизнедеятельности.