О РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГЕОДИНАМИКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

О РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГЕОДИНАМИКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Научная статья

Соловицкий А.Н.*

ORCID: 0000-0001-7483-3484,

Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия

* Корреспондирующий автор (san.mdig[at]mail.ru)

Аннотация

Установлена востребованность геодезических методов при освоении угольных месторождений. Отмечен низкий уровень их использования для решения задач геодинамики месторождений. Целью исследований является разработка теории и методов решения как прикладных (определение типа геодинамической ситуации, контроль изменения во времени главных направлений деформаций, ранжирование изменений во времени деформаций и контроль накопления потенциальной энергии деформирования блоков земной коры), так и фундаментальной задачи геодинамики угольных месторождений, которое включает определение напряженно-деформированное состояние блоков земной коры разных рангов и закономерностей его перераспределения при их взаимодействии по результатам повторных геодезических наблюдений на основе реализации нового принципа динамической модели геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры. Практическим применением теории и методов является не только обеспечение информационной основы для получения новых знаний о напряженно-деформированное состояние блоков земной коры разных рангов при освоении угольных месторождений, но и геодинамической безопасности угольного предприятия.

Ключевые слова: блок земной коры, геодезический мониторинг, динамическая модель, прикладная и фундаментальная задачи.

ON SOLVING PROBLEMS OF GEODYNAMICS OF KUZBASS COAL DEPOSITS VIA THE GEODESIC METHOD

Research article

Solovitski A.N.*

ORCID: 0000-0001-7483-3484,

Kemerovo State University, Kemerovo, Russia

* Corresponding author (san.mdig[at]mail.ru)

Abstract

The article establishes the demand for geodetic methods in the development of coal mining regions. The research points out the low level of their use for solving the problems of deposit geodynamics. The purpose of the research is to develop a theory and methods for solving both applied (determining the type of geodynamic situation, monitoring changes in time of the main directions of deformations, ranking changes in time of deformations and monitoring the accumulation of potential energy of deformation of crustal blocks) and fundamental problems of geodynamics of coal deposits, which includes determining the stress-strain state of crustal blocks of different ranks and patterns of its redistribution during their interaction according to the results of repeated geodetic observations and based on the implementation of a new principle of dynamic model of geodesic monitoring of the stress-strain state of the earth's crust. The practical application of the theory and its methods is not only to provide an information basis for obtaining new knowledge about the stress-strain state of crustal blocks of different ranks during the development of coal deposits, but also to provide the geodynamic safety of a coal enterprise.

Keywords: crustal block, geodetic monitoring, dynamic model, applied and fundamental problems.

Введение

Применение геодезических методов при освоении угольных месторождений многоаспектно и чаще характеризует геодезию как прикладную науку. Однако она востребована и как фундаментальная наука, но это, прежде всего, связано с изучением их геодинамики. Отечественная школа геодезической науки в этом направлении прославлена вкладом Н. П. Есикова, А. И. Каленицкого, В. И. Кафтана, Ю. А. Кашникова, А. А. Козырева, В. Г. Колмогорова, Ю. О. Кузьмина, Б. Т. Мазурова, М. Т. Мустафина, А. К. Певнева, А. Д. Сашурина, Л. И. Серебряковой, В. А. Сидорова, В. Ю. Тимофеева, Ященко В. Р. и многих других ученых [1], [9]. Успешны международные и отечественные геодинамические проекты, такие как изучение напряженно-деформированного состояния массива горных пород и проявлений геодинамических явлений (ГДЯ) [7], [10]. Однако, несмотря на определенные достижения, фундаментальные исследования геодинамики месторождений геодезическими методами на локальном уровне в полной мере не разработаны и не освещены в печати, особенно это касается районов освоения угольных месторождений, поскольку традиционные технологии геодезического контроля ориентированы на изучение кинематики и деформаций поверхности земной коры [11], [12]. Основная проблема, препятствующая развитию фундаментальных исследований, – отсутствие методов, позволяющих определять как напряженно-деформированное состояние блоков земной коры разных рангов, так и закономерности его перераспределения при их взаимодействии по результатам повторных геодезических наблюдений на основе современных достижениях геодезических технологий, их оперативности, точности и уровня автоматизации, а также моделей геодезических построений, адекватно отражающих структуру и иерархию земной коры. Указанная проблема недостаточно освещена в отечественной и зарубежной литературе [2], [8]. До настоящего времени не разработаны теория и методы определения напряженно-деформированное состояние блоков земной коры (НДС БЗК) разных рангов и его перераспределение при их взаимодействии по результатам повторных геодезических наблюдений [3], [5]. Реализация указанной теории и методов обеспечит информационную основу для получения новых знаний о НДС БЗК разных рангов при освоении угольных месторождений, которые позволят решить не только эти исследовательские задачи, но и обеспечить геодинамическую безопасность угольного предприятия. Все это позволяет считать актуальной разработку теории и методов определения напряженно-деформированное состояние блоков земной коры разных рангов и его перераспределение при их взаимодействии по результатам повторных геодезических наблюдений в районах освоения угольных месторождений. Использование полученных результатов обеспечит не только расширение применения геодезических методов для оценки геодинамической опасности при освоении угольных месторождений, но и обеспечит геодезии статус фундаментальной науки.

 

Методы и принципы исследования

Для изучения НДС БЗК и перераспределение потенциальной энергии деформирования при их взаимодействии автором предлагается разработать динамическую модель геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры (ГМНДСЗК). Динамическая модель ГМНДСЗК в районах освоения угольных месторождений Кузбасс, являясь иерархической и многоуровневой системой, по мнению автора, отражает изменение состояния блоков земной за год. Одним из новых принципов её формирования являются теоретические основы управления напряженно-деформированным состоянием блоков земной коры для формирования прогнозных оценок их развития с последующей выработкой управляющих решений и рекомендаций. Интерпретируется это как целевой принцип построения системы мониторинга с учетом достижения конечной цели – управление НДС БЗК. Поэтому сам процесс наблюдения не является непосредственной целью: наблюдения кинематики блоков земной коры, последующий их анализ и оценка – это лишь средство достижения цели указанной модели. Кроме управленческих решений целевой принцип реализации динамической модели ГМНДСЗК в районах освоения угольных месторождений Кузбасса нацелен на решение фундаментальной и прикладных задач геодинамики месторождения. Прикладные задачи включают: определение типа геодинамической ситуации; контроль изменения во времени главных направлений деформаций, ранжирование изменений во времени деформаций и контроль накопления потенциальной энергии деформирования блоков земной коры. Фундаментальная задача геодинамики месторождения заключается в исследовании закономерностей перераспределения потенциальной энергии деформирования в блоках земной коры разных рангов и формирования в них очага ГДЯ, теоретическим обоснованием которого является IV-я степень опасности развития деформаций блока земной коры и накопление плотности энергии не менее 12 кг·м/м³. 

Основные результаты

Для решения фундаментальной задачи геодинамики об оценке перераспределения деформаций и потенциальной энергии в блоках земной коры разных рангов (формирования очага ГДЯ) был создан геодинамический полигон (ГДП) Кемеровского государственного университета (Кемгу) (первая очередь). Для обеспечения его проектирования автором было проведено геодинамическое районирование исследуемой территории и выделены блоки земной коры IV-го (номер 42:2019:03:04:000000000281), состоящий из 3 блоков V-го ранга (II- номер 42:2019:03:05:000000002256; III- номер 42:2019:03:05:000000003257) (рис. 1).

 

Рис. 1 – Блоки земной коры: IV-го (выделен черным цветом) и V-го рангов (I-III)

 

Месторасположения мобильных пунктов (МП) выбрано с учетом разработанной автором методологии: в узлах пересечения разломов и в наивысших отметках исследуемых блоков земной коры. Стабильные пункты в условно стабильном блоке.

Повторные наблюдения на пунктах ГДП были выполнены четырьмя многочастными спутниковыми геодезическими приемниками Javad Triumph-1M в декабре 2019 года сотрудниками общества с ограниченной ответственностью «Сибгеопроект-недра» (ООО «СГП-недра»). Постобработка с уравниванием материалов ГНСС-измерений и вычислением координат выполнена в программном обеспечении Gredo GNSS 1.1. На основе математической обработки результатов повторных наблюдений на ГДП определены динамические параметры блоков земной коры IV-го и V-го рангов.

В качестве начальной эпохи наблюдений использованы координаты МП, определенные 1988 году классическими комбинированными геодезическими методами. Скорости кинематики исследуемых блоков земной коры по результатам повторных наблюдений не превысили 6 мм/год. На исследуемой территории в районе города Кемерово (рис. 11) соискателем выделены зоны сдвига, как для блока земной коры IV-го ранга 42:2019:03:04:000000000281 (Δγ [t−t ]=-6.56*10^-7; θ[t−t₀] = -2.53*10⁷) (выделен красным цветом), так и для двух блоков земной коры V-го ранга (блок III - 42:2019:03:05:000000002256 Δγ [t−t ]=2.085*10^-6; θ[t−t₀]= 1.44*10^-6; блок II- 42:2019:03:05:000000003257 Δγ [t−t ]=2.25*10^-5; θ[t−t₀]= 4.20*10^-6). Согласно (15) и (16) блок земной коры V-го ранга I -42:2019:03:05:000000001281 характеризуется как зона растяжения Δγ [t−t ]=7.10*10^-7; θ[t−t₀]= 3.03*10^-6.

Исследуемые блоки земной коры характеризуются следующими изменениями во времени значений главных деформаций:

• блок 42:2019:03:04:000000000281 ε₁[t−t₀]=-2.41*10^-11, ε₂[t−t₀]=2.52*10^-6, ε₃[t−t₀]=-5.44*10^-14,
• блок 42:2019:03:05:000000001281 ε₁[t−t₀]=-3.01*10^-6, ε₂[t−t₀]=1.35*10^-12, ε₃[t−t₀]=-2.10*10^-13,
• блок 42:2019:03:05:000000002256 ε₁[t−t₀]=-3.02*10^-14, ε₂[t−t₀]=1.44*10^-6, ε₃[t−t₀]=1.37*10^-12,
• блок 42:2019:03:05:000000003257 ε₁[t−t₀]=-4.02*10^-6, ε₂[t−t₀]=2.42*10^-10 , ε₃[t−t₀]=7.06*10^-13 .

На исследуемой территории ГДП в районе города Кемерово автором определены следующие изменения потенциальной энергии: в блоке земной коры IV-го ранга 5.57*10 ⁹ Дж; для блоков земной коры V-го ранга 2.67*10¹⁰, 2.95*10¹² и 1.06*10¹⁰ Дж соответственно. Уровень накопления потенциальной энергии в блоке земной коры объёмом V, превышающий предельный запас упругой энергии Е₀, определяется критерием формирования очага ГДЯ блочного массива горных пород месторождения (при плотности энергии не менее 12 кг·м/м³, для исследуемых блоков земной коры V-го ранга 0.21, 9.1 и 0.09 кг·м/м³). Полученные автором результаты решения фундаментальной задачи геодинамики месторождения свидетельствуют о том, что наибольшие значения изменения плотности потенциальной энергии характерны для блока II земной коры V-го ранга, который подработан горными работами шахт «Северная» и «Бутовская», однако очаг ГДЯ в нем ещё не сформирован. Полученные результаты не только расширяют возможности использования геодезической информации, но и обеспечивают решение задач геодинамики угольных месторождений геодезическим методом.

Заключение

На основании результатов выполненных исследований сделаны следующие выводы.

1. Предложен новый принцип реализации динамической модели ГМНДСЗК в районах освоения угольных месторождений Кузбасса, который интерпретируется как целевой и включает теоретические основы управления напряженно-деформированным состоянием блоков земной коры для формирования прогнозных оценок их развития с последующей выработкой управляющих решений и рекомендаций.
2. Установлено, что наибольшие значения изменения плотности потенциальной энергии характерны для блока II земной коры V-го ранга, который подработан горными работами шахт «Северная» и «Бутовская», однако очаг ГДЯ в нем ещё не сформирован. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Кузьмин Ю. О. Идентификация результатов повторных геодезических наблюдений при оценке геодинамической опасности объектов недропользования / Ю. О. Кузьмин // Вестник СГУГиТ. –2018. – Т. 23. –№ 4. – С. 46–66.
2. Сашурин А. Д. Организация геодинамического мониторинга на карьерах Качканарского ГОКа / А. Д. Сашурин, А. А. Панжин // Проблемы недропользования. – 2015. – № 1 (4). – С. 45–55.
3. Певнев А. К. О новых возможностях геодезического метода в решении проблемы прогноза землетрясений / А.К. Певнев // Геоинжиниринг. – – № 1(17). – С.40-43.
4. Мазуров Б. Т. Моделирования геодезических и гравитационных параметров при изучении геодинамических процессов / Б.Т. Мазуров. Новосибирск: СГГА, 2014. − 207 с.
5. Серебрякова Л. И. О методическом руководстве по геодинамическим исследованиям в системе Росреестра /Л.И. Серебрякова // Геодезия и картография. − 2013. − № 10. −С. 45 −50.
6. Козырев А. А. Анализ условий реализации удара на Расвумчоррском руднике 14 февраля 2012 г. / А. А. Козырев, И. Э. Семенова, А.В. Земцовский // Горный информационно-аналитический бюллетень. −2013. −№ 4. − С. 28 −33.
7. Кашников Ю. А Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья / Ю.А. Кашников, С. Г. Ашихмин, С. Г. −М.: Недра, 2007. − 467 с.
8. Есиков Н. П. Современные движения земной поверхности с позиций теории деформаций / Н. П Есиков. −Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. −226 c.
9. Колмогоров В. Г. Приповерхностные деформации в районе Таштагольского геодинамического полигона / В. Г. Колмогоров, В. А. Калюжин // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. −2015. −№ 5/С. − С. 15-19.
10. Ямбаев Х.К. Геодезический мониторинг движений земной коры: состояние, возможности, перспективы / Х.К. Ямбаев, В. Р. Ященко// Интерэкспо-ГЕО-Сибирь-2012. Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерское дело»: Сб. материалов в 3 т.: Т. 3 (Новосибирск, 10−20 апреля 2012 г.). Новосибирск: изд. СГГА, 2012. −С. 145−162.
11. Син Тао. Геодинамическое районирование селитебных зон. / Син Тао, И. М. Батугина −Пекин, 2010. − 149 с.
12. Соловицкий А.Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород / Под ред. П. В. Егорова. Кемерово: изд. КузГТУ, 2003. −260 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kuzmin Yu. Identifikacija rezul'tatov povtornyh geodezicheskih nabljudenij pri ocenke geodinamicheskoj opasnosti ob#ektov nedropol'zovanija [O. Identification of results of repeated geodetic observations in assessing the geodynamic hazard of subsurface resources] / Yu. O. Kuzmin //Vestnik SGUGiT. −2018. −№ 23(4). –P. 46–66. [in Russian].
2. Sashurin A. D. Organizacija geodinamicheskogo monitoringa na kar'erah Kachkanarskogo GOKa [Organization of geodynamic monitoring in the quarries of the Kachkanarsky GOK] / A. D. Sashurin, A.A. Panzhin // Problemy nedropol'zovanija [Problems of Subsoil Use]. −2015. − №1(4). − P.45–54. [in Russian].
3. Pevnev A. K. O novyh vozmozhnostjah geodezicheskogo metoda v reshenii problemy prognoza zemletrjasenij [On the new possibilities of the geodesic method in solving the problem earthquake prediction] / A. K. Pevnev // Geoinzhiniring [Geoengineering]. −2013. −№1 (17). −P.40-43 [in Russian].
4. Masurov B. T. Modelirovanija geodezicheskih i gravitacionnyh parametrov pri izuchenii geodinamicheskih processov [Modeling of geodetic and gravitational parameters in the study of geodynamic processes] / B. T. Masurov. −Novosibirsk. SSGA, 2014: −207 p. [in Russian]
5. Serebryakova L. I. O metodicheskom rukovodstve po geodinamicheskim issledovanijam v sisteme Rosreestra /L.I. Serebrjakova [About the methodological guide to geodynamic research in the Rosreestr system] /L. I. Serebryakova // Geodezija i kartografija [Geodesy and Cartography]. −2013. −№10. − P.45 −50. [in Russian].
6. Kozyrev A. A. Analiz uslovij realizacii udara na Rasvumchorrskom rudnike 14 fevralja 2012 g. [Analysis of the conditions for the implementation of a rock strike at the Rasvumchorr mine on February 14, 2012] / A. A. Kozyrev, I. E. Semenova, A. V. Zemtsovsky // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' [Mining Information and Analytical Bulletin]. −2013. − №4. −P. 28 −33. [in Russian].
7. Kashnikov Yu. A. Mehanika gornyh porod pri razrabotke mestorozhdenij uglevodorodnogo syr'ja [Rock mechanics in the development of hydrocarbon deposits] / Yu. A. Kashnikov, S. G. Ashikhmin. −M.: Nedra. 2007: −467 р. [in Russian].
8. Esikov N. P. Sovremennye dvizhenija zemnoj poverhnosti s pozicij teorii deformacij [Modern movements of the earth's surface from the standpoint of the theory of deformations] / N.P. Esikov. −Novosibirsk. Science. Siberian Branch, 1991− 226 р. [in Russian].
9. Kolmogorov V.G. Pripoverhnostnye deformacii v rajone Tashtagol'skogo geodinamicheskogo poligona [Near-surface deformations in the area of the Tashtagol geodynamic polygon] / V. G. Kolmogorov, V.A. Kalyuzhin // Izvestija vuzov. Geodezija i ajerofotosjomka [Izvestiya vuzov. Geodesy and aerial photography]. −2015. −№5. − P.15-19. [in Russian].
10. Yambaev Kh.K. Geodezicheskij monitoring dvizhenij zemnoj kory: sostojanie, vozmozhnosti, perspektivy [Geodesic monitoring of movements of the earth’s crust: state, possibilities, prospects] / Kh.K.Yambaev, V. R. Yaschenko //. Interjekspo-GEO-Sibir'-2012. Mezhdunar. nauch. kongr.: Mezhdunar. nauch. konf. «Geodezija, geoinformatika, kartografija, markshejderskoe delo»: [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2012: International Scientific Conference]: Vol. 3. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveying. Novosibirsk: SSGA Publ., 2012. P.145–162. [in Russian].
11. Shin Tao Geodinamicheskoe rajonirovanie selitebnyh zon [Geodynamic zoning of residential areas] / Shin Tao, I. M. Batugina. −Pekin, 2010. −149 р. [in Russian]
12. Solovitskiy A.N. Integral'nyj metod kontrolja naprjazhennogo sostojanija blochnogo massiva gornyh porod [The integral method of controlling the stress state of a block rock massif]. Kemerovo, KuzSTU, 2003. − 260 р. [in Russian]