ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВТОРИЧНОГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ РОЛИ В ФОРМИРОВАНИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА

Мельник В.В. ¹, Пустуев А.Л. ²

¹Кандидат технических наук, заведующий лабораторией, ²научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВТОРИЧНОГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ РОЛИ В ФОРМИРОВАНИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА

Аннотация

В статье сделан обзор проблемы исследования горного массива при строительстве особо ответственных инженерных сооружений, рассмотрена роль структурно-тектонического строения территории и современной геодинамической активности тектонических нарушений на преобразование свойств массива горных пород, залегающего в основании проектируемых объектов приводящее к формированию аварийных ситуаций.

Ключевые слова: прогноз, деформации массива, спутниковая геодезия, массив горных пород, структурно-тектоническое строение, современная геодинамическая активность.

 Melnik Vitaly ¹, Pustuev Alexey ²

¹Кandidate of technical sciences, the head of the laboratory, ²Researcher, The Institute of Mining UB RAS

THE STUDY OF THE PROCESSES OF SECONDARY STRUCTURE IN SITU AND THEIR ROLE IN THE FORMATION OF EMERGENCY SITUATIONS OF NATURAL AND TECHNOGENIC CHARACTER

Abstract

The article provides an overview of the research problems of rock mass in the construction of engineering structures especially responsible, examined the role of structural-tectonic structure of the territory of modern geodynamic activity and tectonic disturbances in the transformation properties of the rock mass occurring at the base of designed objects leads to the formation of emergencies.

Key words: forecast, deformation array, satellite geodesy, rocks, structural-tectonic structure, modern geodynamic activity

На сегодняшний день только в России эксплуатируется множество особо опасных промышленных объектов, среди них 10 атомных электростанций, более 100 гидроэлектростанций, 14 крупнейших из них выдают более 1000 МВт, а в мировом масштабе их значительно больше. Значительное количество опасных объектов находятся на стадии проектирования и строительства.

Все эти сооружения в случае возникновения в их деформаций и разрушения представляют огромную опасность не только регионального, но и национального масштаба (Чернобыль - 1986г., Саяно-Шушенская ГЭС - 2009г., Фукусима - 2011г.). Из рассмотрения материалов расследования произошедших аварий и катастроф, следует, что в настоящее время в этой сфере в качестве ведущей причины их развития рассматривается человеческий фактор – нарушение технологического режима эксплуатации объекта.

Гиперболизация человеческого фактора позволяет оставлять вне сферы внимания более глубокие природные причины и истоки катастроф, обусловленные взаимодействием сложнейших техногенных систем, таких как АЭС, ГЭС, горнодобывающие предприятия, с геологической средой и с происходящими в ней процессами и явлениями.

Экспериментальными исследованиями, выполняемыми в последние годы Уральской школой геомехаников, установлено, что одной из основных причин развития аварий и катастроф на объектах недропользования, оказавшихся в тектонически нарушенных зонах, является современная геодинамическая активность территории [1-2].

Долгое время в науках о Земле современные тектонические деформации и подвижки горного массива и земной поверхности рассматривались главным образом в плане опасности землетрясений, на основе чего и были разработаны методики и нормативные акты по сейсмическому районированию и сейсмостойкому строительству. Те же многочисленные аварии и катастрофы, которые происходили на объектах недропользования в сейсмически неопасных районах, трактовались исключительно с позиций возникновения осадок фундаментов и прочих оползневых явлений, в связи с чем в инженерной геологии в качестве основного критерия безопасности объектов недропользования фигурировали только вертикальные деформации и смещения, происходящие под действием силы тяжести.

Несмотря на имеющийся прогресс в развитии теории, методике производства измерений и анализа получаемой информации есть необходимость в серьезном совершенствовании технологии диагностики территории при выборе участков строительства и обоснованию безопасной эксплуатации особо опасных объектов недропользования, соответствующей современным представлениям  о процессах, происходящих на земной поверхности и в недрах.

Изучение причин вторичного структурирования массива горных пород является одним из приоритетных направлений исследований при определении напряженно-деформированного состояния массива горных пород для своевременного выявления возможных очагов природно-техногенных катастроф и снижения опасности их возникновения.

Экспериментально-аналитическая модель формирования очагов катастрофических событий природно-техногенного характера представляет собой иерархически блочный массив, обладающий современной геодинамической подвижностью, вызывающей процессы вторичного структурирования и изменение напряженно-деформированного состояния.

Экспериментальное определение параметров трендовых и цикличных современных геодинамических движений к настоящему времени выполнено отделом геомеханики ИГД УрО РАН более чем на 25 объектах недропользования, охватывающих территорию России и Казахстана от Центрального региона до Якутии. На их основе создана и в 2014 году зарегистрирована база данных о параметрах современных геодинамических движений [3]. Из нее следует, что современные геодинамические движения имеют место во всех регионах, независимо от того, к сейсмичной или асейсмичной категории они относятся.

Безопасность объектов недропользования, уровень риска возникнове­ния катастроф при их строительстве и эксплуатации зависят от соответ­ствия их конструкций свойствам массива горных пород, процессам и явле­ниям, протекающим в естественных условиях и в областях техногенной дея­тельности [4].

Процессы вторичного структурирования, определяющие блочно-иерархическую структуру массива горных пород, происходят как в естественных усло­виях, так и в областях техногенного воздействия объектов недропользования и относятся к важнейшим факторам, формирующим дискретный характер напряженно-деформированного состояния.

В пассивном, неподвижном массиве горных пород проявления де­струкции и самоорганизации исключаются. Для их реализации необходимо изменение напряженно-деформированного состояния, источником которых в естественных условиях выступают современные геодинамические движе­ния.

Так в районе г. Краснотурьинска в 2010 году случился провал автодороги над выработкой шахты «Северопесчанская» (Рис. 1). Под провалом отрабатывался блок небольших по меркам шахты размеров и на большой глубине. По всем расчетам никаких деформаций на поверхности не могло произойти, но структурные особенности горного массива, определяемые современной геодинамической подвижностью, привели к этому происшествию. В результате только что построенная автодорога была полностью уничтожена.

Рис. 1 - Обрушение автодороги в районе г. Краснотурьинска

Подобные аварии, связанные с техногенной деятельностью в совокупности с природными процессами в районах распространения активных тектонических нарушений не редкость. Такой случай произошел в г. Нижний Тагил в 2009 году, где в результате подвижки произошло опускание земной поверхности, что привело к деформациям железнодорожных путей (Рис. 2) [5].

Это примеры влияния естественного строения массива горных пород на участки, нарушенные подземными горными работами. Но имеется множество подобных случаев влияния структурно-тектонического строения и современной геодинамической активности на инженерные сооружения в ненарушенном техногенной деятельностью массиве. К таким явлениям относятся разрушение мостового перехода над улицей Восточной в г. Екатеринбурге, и там же, разрушенный многоквартирный дом на ул. Мусоргского [2].

Рис. 2 - Авария в г. Нижний Тагил

В этой связи необходимость исследования структурно-тектонического строения горного массива и современной геодинамической активности тектонических нарушений в случае их присутствия является основным при проектировании и строительстве особо ответственных инженерных сооружений, будь то объекты атомной промышленности или гидротехнические сооружения, либо высотные здания городских агломераций.

Методы и оборудование для проведения подобных исследований могут отличаться друг от друга, но главное, чтобы с помощью них была получена достоверная информация о свойствах и состоянии горного массива на участке проектирования и строительства. Комплексирование методов изысканий поможет получить максимально полную характеристику территории.

Так в 2008 году сотрудники отдела геомеханики ИГД УрО РАН принимали участие в комплексной работе по выбору наиболее благоприятной площадки для размещения проектируемой Южно-Уральской атомной станции. В данной работе были учтены теоретические представления о современной геодинамической подвижности горного массива, с помощью различных геофизических и геодезических методов выполнена укрупненная оценка представленной территории и выбрана наиболее подходящая площадка с точки зрения безопасности.

На протяжении последних лет коллективом при участии авторов проводятся исследования по сейсмическому микрорайонированию площадок уже построенных атомных объектов (хранилища атомных отходов, атомные реакторы). Данные работы стали обязательными после аварии, произошедшей в Японии на АЭС «Фукусима», что, несомненно, является большим шагом к обеспечению безопасной эксплуатации особо опасных объектов. Для проведения подобных исследований институт стал членом СРО НП «СОЮЗАТОМГЕО» с допуском к работам, оказывающим влияние на безопасность особо опасных, технически сложных, уникальных и других объектов капитального строительства при выполнении работ по инженерным изысканиям.

Технология сейсмического микрорайонирования постоянно совершенствуется, но одно остается неизменным: она включает в себя как геофизические методы для исследования структурно-тектонического строения, так и геодезические методы исследования современной геодинамической активности. Кроме того при изысканиях используется современное оборудование (велосиметры, акселерометры), позволяющее в данных работах определять приращение сейсмической интенсивности по стандартному методу регистрации микросейсм и методу Ютаки Накамуры [6] и выявлять особенности микросейсмического шума конкретной территории.

В заключении следует отметить, что безопасность строительства и эксплуатации инженерных сооружений в первую очередь зависит от устойчивости их основания, зная достоверно в каких условиях оно находится, можно принять своевременные конструктивные меры к фундаментам объектов строительства.

Литература

1. Сашурин А.Д. Закономерности проявления геомеханико-геодинамических процессов на рудных месторождениях Урала / А. Д. Сашурин, А. Е. Балек, Т. Ш. Далатказин, В. В. Мельник, А. Л. Замятин, Ю. П. Коновалова, С. В. Усанов // Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия. Разд. 2.. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2012. - C. 119 - 198.
2. Мельник В.В. Исследование причин деформирования инженерных сооружений / В.В. Мельник // Горный информационно-аналитический бюллетень. – №2. - 2014 г. - C. 161-167.
3. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. База экспериментальных данных о параметрах современных геодинамических движений. / Сашурин А.Д., Мельник В.В., Панжин А.А., Пустуев А.Л. и др.; заявитель и правообладатель Институт горного дела УрО РАН. - №2014620345. - 2014.
4. Мельник В.В. Оценка влияния структурно-тектонического строения массива горных пород на основания инженерных сооружений / В. В. Мельник // Маркшейдерия и недропользование. – №6. - 2014 г. - C. 56-59.
5. Усанов С.В. Мониторинг трансформации структуры горного массива под влиянием процесса сдвижения / С.В. Усанов, В.В. Мельник, А.Л. Замятин // ФТПРПИ. – 2013. - № 6. - С. 83-89.
6. Nakamura Y.A. Method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground. / Y.A. Nakamura // QR RTRI. Vol. 30. P. 25-33. 1989.

References

1. Sashurin A.D. Zakonomernosti projavlenija geomehaniko-geodinamicheskih processov na rudnyh mestorozhdenijah Urala / A. D. Sashurin, A. E. Balek, T. Sh. Dalatkazin, V. V. Mel'nik, A. L. Zamjatin, Ju. P. Konovalova, S. V. Usanov // Destrukcija zemnoj kory i processy samoorganizacii v oblastjah sil'nogo tehnogennogo vozdejstvija. Razd. 2.. - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN. - 2012. - C. 119 - 198.
2. Mel'nik V.V. Issledovanie prichin deformirovanija inzhenernyh sooruzhenij / V.V. Mel'nik // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. – №2. - 2014 g. - C. 161-167.
3. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii bazy dannyh. Baza jeksperimental'nyh dannyh o parametrah sovremennyh geodinamicheskih dvizhenij. / Sashurin A.D., Mel'nik V.V., Panzhin A.A., Pustuev A.L. i dr.; zajavitel' i pravoobladatel' Institut gornogo dela UrO RAN. - №2014620345. - 2014.
4. Mel'nik V.V. Ocenka vlijanija strukturno-tektonicheskogo stroenija massiva gornyh porod na osnovanija inzhenernyh sooruzhenij / V. V. Mel'nik // Markshejderija i nedropol'zovanie. – №6. - 2014 g. - C. 56-59.
5. Usanov S.V. Monitoring transformacii struktury gornogo massiva pod vlijaniem processa sdvizhenija / S.V. Usanov, V.V. Mel'nik, A.L. Zamjatin // FTPRPI. – 2013. - № 6. - S. 83-89.
6. Nakamura Y.A. Method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground. / Y.A. Nakamura // QR RTRI. Vol. 30. P. 25-33. 1989.