WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В новой отрасли горной науки применяется метод геодинамического районирования учас тков земной коры, в основном разработанный И.М. Батугиной, КузПИ (КузГТУ) и И.М. Петуховым, ВНИМИ, который позволяет учитывать особеннос ти геодинамики земной коры конкретного района. Суть метода заключается в изучении блочной структуры массива горных пород для выявления его тектонически-напряженных зон и оценки напряженного состояния. На базе этих данных разрабатываются рекомендации и профилактические меры безопасного и эффективного освоения недр, применяемые на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации горных предприятий.

В методе геодинамического районирования выделяются три основных этапа исследований: 1 – выявление блочной структуры любой территории, в том числе, территории района месторождения полезного ископаемого; 2 – оценка напряженного состояния нетронутого массива в районе месторождения; 3 – разработка рекомендаций и профилактических мер по безопасному освоению недр на всех стадиях.

Идея метода геодинамического районирования базируется на теории тектоники литосферных плит. Немецким геофизиком А. Вегенером и американским геологом Ф. Тейлором была выдвинута гипотеза континентального дрейфа, в дальнейшем развитая другими учёными в теорию тектоники литосферных плит.

Согласно этой теории, земная кора разделена на подвижные литосферные плиты. Плиты смещаются относительно друг друга, образуя зоны растяжений, надвиги, поддвиги и сдвиги. В результате их взаимодействия и напряжений, возникающих на границах плит, плиты дробятся на крупные мегаблоки. Последние по той же схеме и согласно напряжениям на их контактах, делятся на блоки меньших размеров. Таким путём можно получить блочное строение небольшой территории, динамическое взаимодействие блоков которой и будет определять естественное поле напряжений исследуемого района.

Метод геодинамического районирования первым этапом исследований предполагает выделение блочной структуры участка земной коры. Основным методом выявления блоков является морфоструктурный анализ (МСА) рельефа.

Значительный вклад в развитие приёмов и методов МСА и их применение на практике внесли Л.Б. Аристархова, А.М. Берлянт, Н.Г. Волков, П.С. Воронов, С.С.

Воскресенский, В.Я. Гвин, И.П. Герасимов, К.И. Геренчук, Л.К. Зятькова, Ю.Н.

Кулаков, А.Н. Ласточкин, К.К. Марков, Ю.А. Мещеряков, Н.И. Николаев, А.В.

Орлова, Н.А. Ржаницын, А.П. Рождественский, Л.Е. Сетунская, Ю.Г. Симонов, В.П. Философов, В.А. Филькин, В.Е. Хаин и многие другие исследователи.

Изучением напряжений и оценкой напряженного состояния земной коры занимались М.В. Гзовский, В.А. Гоголин, С.С. Григорян, А.С. Григорьев, О.И.

Гущенко, А.В. Долицкий, Н.П. Есиков, В.Н. Кочетков, П.Н. Кропоткин, Р.М. Лобацкая, П.Н. Николаев, Д.Н. Осокина, В.Д. Парфенов, С.И. Шерман и многие другие учёные.

На многие облас ти деятельнос ти человека оказывает мощное воздействие существующая расчленённость земной коры на блоки различных масштабных уровней. Это воздействие проявляется в разных формах через механизм участия блоков в геодинамических процессах. Ряд возникающих при освоении недр проблем напрямую связан с тем, что в основу технических и технологических расчётов не была включена информация о блоковом строении территории.

В связи с планируемым созданием новых шахт в Кузбассе появляется возможность в рамках предпроектных работ провести на этих территориях геодинамические исследования, направленные на повышение безопасности и эффективности функционирования горных предприятий. Первым, основным и обязательным этапом этих исследований является геодинамическое районирование Кузбасса. Оно выполняется по топографическим картам, масштабы которых постепенно увеличивают, одновременно уменьшая размеры рассматриваемой территории от угольного бассейна до горных отводов шахт. На картах укрупнённых масштабов с большей детальнос тью отображается геоморфологическое строение районируемой площади, что позволяет выявлять блоковую структуру даже шахтных полей.

Вторая глава посвящена выявлению блоковых структур земной коры 1 – рангов на участках вновь проектируемых шахт.

Многочисленными исследованиями установлено, что земная кора состоит из множества различных по составу, форме, размеру и подвижности блоков, со всех сторон ограниченных тектоническими поверхнос тями – разломами, которые так же, как и блоки, крайне разнообразны по морфологии, геологической истории и роли в структуре земной коры. Вдоль межблоковых структур – разломов происходят относительные перемещения блоков. Блоки имеют различные размеры – от крупнейших геоблоков до блоков размером с месторождение, шахтное поле и ещё меньше. При этом относительные деформации и перемещения блоков по разломам совершаются в различных режимах (растяжения и сжатия) и разных направлениях. Следствием является сложное строение и крайне неравномерное напряжённое состояние любой территории.

Для выявления блоковых структур привлекаются разнообразные методы, обладающие своими преимуществами и недос татками. Применение методики А.В. Орловой, позволяющей выявлять блоковые структуры по рельефу, на наш взгляд, в большей мере отвечает требованиям промышленного освоения территорий.

Методика А.В. Орловой основывается на теоретических положениях о ведущей роли тектонических движений в формировании рельефа. Перемещение блоков происходит по разломам, а рельеф через изменение гипсометрического уровня поверхнос ти отражает в себе сумму этих последовательных перемещений.

Используя определённым образом соотношение высот отдельных участков, учитывая рисовку горизонталей и расположение гидросети, можно по топографической карте выявить блоковые структуры той или иной территории.

Для выявления блоковых структур применяют топографические карты различных масштабов (предложено И.М. Батугиной). При этом блоки 1 ранга выделяют по топографической карте масштаба 1 : 2 500 000, блоки 2 ранга – по топографической карте масштаба 1 : 1 000 000 в пределах того блока 1 ранга, в котором расположена исследуемая территория. Блоки 3 ранга выделяют по топографической карте масштаба 1 : 100 000 в пределах блока 2 ранга, к которому приурочена исследуемая территория. Блоки 4 ранга выделяются по топографической карте масштаба 1 : 25 000 в пределах блока 3 ранга, в котором находится исследуемая территория.

Первой операцией при выделении блоков является определение минимальной разницы высот, достаточной для отнесения двух соседних участков к разным блокам. В каждом конкретном районе за минимальную разницу высот hmin можно принять 0.1 (Hmax – Hmin), где Hmax – абсолютная максимальная высота рельефа, м;

Hmin – абсолютная минимальная высота рельефа (без учета врезов речных долин), м. На карте намечаются опорные высоты, к которым относятся отметки водоразделов, отчетливо выраженные горизонтальные площадки (ступени) на склонах, а также пониженные выровненные участки. Во внимание не принимаются отметки склонов и речных долин. Опорные высоты позволяют (с учетом минимальной разницы высот) оконтурить блоки линиями разломов, которые проводятся прямолинейными и плавно закругленными.

Выделение границ блоков осуществляется по следующим дешифрировочным признакам рельефа: подножию склонов; последовательно размещенным спрямленным участкам речных долин; перегибу склона, отделяющему тектоническую ступень от более возвышенной части; тяготению к определенной линии русел разных рек и ручьев, в результате чего, последовательно соединяя эти русла, можно получить одну линию; приуроченнос ти коленообразных изгибов речных долин к одной общей линии; линейному расположению седловидных перегибов или уступов двух или нескольких соседних гряд; цепочке озер или болот.

Наиболее дос товерно выделяются блоки линиями разломов, которые проходят по разнородным признакам. Всей поверхности блока условно приписывают отметку наивысшего в его пределах участка.

Таким образом, исследуемая территория разбивается на блоки разной формы, разных размеров и разной абсолютной высоты. Полученная карта блоков является основой для реконструкции линий рельефообразующих разломов, определения амплитуды для каждого из разломов, установления знака перемещения блоков по этим разломам.

На топографических картах ошибки планового положения контуров, вызванные погрешностями разного рода, включая генерализацию, находятся в среднем в пределах от 0,5 до 0,75 мм, а погрешности определения длин и площадей при измерениях средней точности доходят до 3 – 5%, а углов – до 3°.

В результате проведённых построений и их предс тавления в электронном виде получена карта-схема блоковых структур 1 ранга Кемеровской области. На этом этапе исследований определился блок 1 ранга, назовём его «Кузнецким», в котором находится Егозово-Красноярское месторождение угля (рис.1).

КЕ МЕ РО ВО Условные обозначения Граница Кемеровской области Границы между блоками Предполагаемые границы между блоками Кузнецкий блок, в котором находится Егозово-Красноярское месторождение МАСШТАБ 1 : 2 500 0 Рис. 1. Схема блоков 1 ранга Геодинамическое районирование Кузнецкого блока в масштабе 1 : 500 показало, что он состоит из девяти блоков второго ранга. Перспективные для промышленных угольных разработок площади Колмогоровского участка ЕгозовоКрасноярского месторождения расположены в блоке № 5, который в дальнейшем будем называть «Колмогоровский».

Далее, контуры Колмогоровского блока 2 ранга и Кузнецкого блока 1 ранга были перенесены с карты масштаба 1 : 500 000 на топографическую карту масштаба 1 : 100 000. Геодинамическому районированию подверглась вся площадь Колмогоровского блока. А на территории Кузнецкого блока выявлялись лишь хорошо выраженные в рельефе отдельные линии разломов, их фрагменты и некоторые блоки 3 ранга. На построенной таким образом схеме показана расчленённос ть Колмогоровского блока блоками 3 ранга, и обозначены блоки, занятые полем шахты, по плану вводимой в эксплуатацию в первую очередь. Оценка точности и достоверности выявленного нами блочного строения территории производилась путём сопоставления результатов геодинамического районирования с геологическими материалами и результатами дешифрирования аэрокосмо– и радиолокационных фотоматериалов по этому району. Степень сходимости сопоставляемых материалов получилась достаточно хорошая, в среднем она составляет 85 – 100 %.

Блоковая структура 4 ранга Колмогоровского участка определялась в соответствие с методикой по топографической карте масштаба 1 : 25 000. Геологи, исследовавшие этот район, считают, что на основном поле учас тка тектонических нарушений, в том числе и мелкоамплитудных, не ожидается и, согласно инструктивно-нормативным документам, освоение данных площадей должно пройти без осложнений, вызываемых тектоникой. С учётом прогнозных геологических данных, не располагая сведениями о блочном строении этой территории, было запроектировано размещение на шахтном поле вентиляционных и воздухоподающих стволов и промплощадки (рис. 2, 3).

Рис. 2. Схема блочного строения 4 ранга первоочередной шахты Колмогоровского участка Рис. 3. Промплощадка первоочередной шахты Колмогоровского участка Если объекты шахтного комплекса разместить, как указано в проекте, то они все окажутся на опасных участках шахтного поля (рис. 2, 3). Это приведёт к тому, что даже на стадии их строительства будут возникать аварийные ситуации.

А в процессе отработки мес торождения на этих учас тках будут происходить и более опасные динамические явления. Поэтому, данные проектные решения нуждаются в серьёзной корректировке, учитывающей расположение опасных для отработки участков, выявленных геодинамическим районированием. Необходимо контуры шахтного поля привес ти в соответс твие с границами блоков, а планируемые объекты и сооружения шахтного комплекса вывести из зоны влияния разломов.

Прогнозные изменения состояния и положения блоков, обусловленные природными процессами и будущей эксплуатацией шахты, можно определить путём вычисления главных компонент деформации и главных направлений деформации блоков по результатам геодезических измерений их смещений. Эти данные необходимы для выбора порядка и технологии отработки шахтного поля, которые предупреждают возникновение опасных газодинамических явлений.

В третьей главе изложены результаты разработки метода оценки деформаций блоков 4 ранга и напряжений блоковых структур по результатам их среднегодовых смещений.

По имеющимся в нас тоящее время в научной литературе данным деформации блоковых структур можно в первом приближении считать однородными. Тогда вследствие того, что деформации вычисляются через первые производные от смещений по координатам точек земной поверхности, смещения должны быть линейными функциями координат.

Для пункта i в силу вышесказанных предположений относительно характера деформаций компоненты смещений можно записать в виде (1).

ui = e11 ·xi + e12 ·yi +e13 ·zi +a;

i = e21 ·xi + e22 ·yi +e23 ·zi +b; (1) wi = e31 ·xi + e32 ·yi +e33 ·zi +c, u u u где e11 = ; e12 = ; e13 = ; e21 = ; e22 = ; e23 = и т.д.;

x у z x y z eij – тензор деформации блоковых структур.

Как видно из (1), для определения 12 неизвестных eij, a, b, c надо иметь систему двенадцати линейных уравнений, т.е. для определения главных деформаций какого-либо блока необходимо иметь внутри блока геодезическую сеть, состоящую, как минимум, из четырёх пунктов, расположенных в вершинах какоголибо тетраэдра (пункты не должны лежать в одной плоскости). Пятый опорный пункт наблюдения, относительно которого измеряются смещения, находится вне изучаемого блока. Будем считать, что все eij, a, b, c найдены.

Из механики сплошных сред известно, что тензор eij описывает одновременно вращение и чистую деформацию, т.е. не является симметричным. Выполняя операцию симметрирования и альтернирования тензора eij, получим симметричный тензор aij, который характеризует относительное изменение длин и углов, т.е. определяет чистую деформацию, и кососимметричный тензор ij, определяющий вращение рассматриваемого блока как абсолютно твёрдого целого.

Главные значения деформаций можно найти из решения кубического уравнения (2) 3 – J1 · 2 + J2 · – J3 = 0, (2) где – J1,2,3 – инварианты тензора деформаций.

Согласно механике сплошных сред, угловые компоненты деформаций (3), характеризующие искажение углов между направлениями, параллельными соответствующим осям координат, находят из (1):

1 u e12 + e21 1 w e23 + e = + = ; = + = ;

xy yz 2 y x 2 2 z y 1 u w e13 + e = + =. (3) xz 2 z x Относительное изменение объёма блока определяется по формуле (4).

J1 = e11 + e22 + e33. (4) При J1>0 наблюдается объёмное расширение блока, при J1<0 – сжатие.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»