10.2 Последствия антропогенного изменения естественного напряженного состояния геологической среды

Изменения естественного напряженного состояния геологической среды в результате деятельности человека приводят к деформациям массивов горных пород в глубине и на поверхности; активизируют движения по разрывным нарушениям, являясь причиной опусканий поверхности; вызывают возбужденные землетрясения (наведенную сейсмичность) , горные удары, внезапные выбросы; разрушают инженерные сооружения.

Опускание земной поверхности. На многих территориях промышленных и городских агломераций на фоне природных тектонических перемещений земной поверхности наблюдаются процессы опускания поверхности, связанные с техногенными факторами. По своей скорости и негативным последствиям они значительно превосходят естественные тектонические движения.

Одной из причин опускания урбанизированных территорий является дополнительная статическая и динамическая нагрузка от зданий, сооружений и транспортных систем города. Большой эффект производит добыча из недр подземных вод и других полезных ископаемых. Впервые на это обратили внимание японские специалисты в связи с опусканием территории г. Токио, где в 1970-1975 гг. была зарегистрирована максимальная величина опускания поверхности - около 2.

Мегаполисы, шахты и карьеры меняют естественное напряженное состояние среды, создавая в одних местах дополнительную нагрузку (мегаполисы), а в других -разгрузку (горные выработки), способствуя тем самым появлению сейсмических событий.

Наведенная сейсмичность может возникать также в результате повышения гидростатического давления в геологической среде при закачке различных жидких веществ в буровые скважины. Закачка производится с целью захоронения загрязненных вод, создания подземных хранилищ

161

методом растворения каменной соли на глубине, законтурного обводнения залежей углеводородов для поддержания пластового давления.

Так, в 1962 г. в штате Колорадо (США) наблюдались землетрясения, вызванные закачкой отработанных радиоактивных вод в скважину глубиной 3671 м, пробуренную в докембрийских гнейсах. Глубина очагов составляла 4,5 - 5,5 км. Эпицентры их располагались близ скважины, вытягиваясь вдоль разрывного нарушения.

На Ромашкинском месторождении нефти в Татарстане в результате многолетнего законтурного обводнения было отмечено повышение сейсмической активности и появление наведенных землетрясений силой до 6 баллов.

Крупные землетрясения (М > 7) в Газли (Узбекистан) 1976 и 1984 гг., по мнению специалистов, спровоцированы закачкой 600 млн. м³ воды в Газлийскую структуру с целью поддержания пластового давления. Мощным фактором возбуждения сейсмической активности являются подземные взрывы большой мощности, в первую очередь ядерные. Они сами по себе вызывают сейсмические эффекты, а в сочетании с разрядкой накопленных природных напряжений могут провоцировать весьма опасные наведенные афтершоки.

Так, взрывы ядерных зарядов на полигоне в штате Невада (США) с тротиловым эквивалентом в несколько мегатонн инициировали рои в сотни и тысячи толчков, длившиеся от нескольких дней до нескольких месяцев.

Магнитуда основного толчка роя на 0,6, а других толчков - на 1,5-2,0 была меньше магнитуды взрыва.

Несмотря на то, что энергия афтершоков обычно не нревышаег энергию взрыва, бывают и исключения. После подземного взрыва в апреле 1989 г. на Кировском руднике ПО "Апатит" на горизонте +252 м произошло землетрясение силой 6-7 баллов в эпицентре и М = 4,8-5,0. Сейсмическая энергия составила 10¹² Дж при энергии самого взрыва 10^{8 10} Дж.

162

Наблюдения над наведенной сейсмичностью привели к созданию проектов разрядки напряжений или досрочного возбуждения землетрясений путем закачки воды через глубокие буровые скважины или простреливания очаговой области ядерными взрывами.

Горные удары и внезапные выбросы возникают в результате нарушения естественного напряженного состояния геологической среды при проходке подземных горных выработок в целях разработки месторождений полезных ископаемых, особенно каменного угля.

Горный удар - внезапное быстропротекающее разрушение предельно напряженной части массива полезных ископаемых или горной породы, прилегающей к горной выработке. Он сопровождается выбросом пород в горную выработку, сильным звуковым эффектом, возникновением воздушной волны.

Горные удары обычно происходят на глубинах разработки свыше 200 м. Возникновение горного удара обусловлено наличием в массиве горных пород тектонических напряжений, превышающих гравитационные в несколько раз. По силе проявления выделяют стреляния, толчки, микроудары и собственно горные удары.

Угроза горных ударов наиболее вероятна на месторождениях, в которых имеются хрупкие породы, например, уголь.

Степень удароопасности оценивается на основе изучения явлений и процессов, сопровождающих бурение скважин, - выхода и крупности бурового шламма, зажатия бурового снаряда в скважине, раскалывания керна на диски, а также по различным геофизическим параметрам - скорости прохождения упругих волн, электрическому сопротивлению и т.д.

Ограничение силы горного удара достигается применением специальных проходческих комбайнов, щитов, податливой крепи, прекращения эксплуатации особо опасных горных выработок.

Внезапный выброс представляет собой самопроизвольный выброс газа,

163

полезного ископаемого (уголь, каменная соль) или вмещающей горной породы в подземную горную выработку. Продолжительность выброса достигает нескольких секунд. С увеличением глубины разработки возрастают частота и сила внезапных выбросов. Горная выработка заполняется при­родным газом (метан, углекислый газ, азот), раздробленной массой пород.

Зарегистрированы внезапные выбросы от нескольких десятков килограмм до нескольких тысяч тонн. Самый мощный в мире внезапный выброс - 14 тыс. т угля и около 600 тыс.м³ метана произошел в 1968 г. в Донбассе на глубине 750 м. Горную выработку засыпало углем на протяжении 650 м.

Внезапные выбросы в 5-50 т составляют около 70 % всех случаев.

Горные удары и внезапные выбросы приводят к разрушению шахтного оборудования и гибели людей, работающих под землей.

164

Л Е К Ц И Я № 11