Анализ и прогноз техногенных изменений геологической среды при освоении месторождений Урала

Актуальность работы. В связи с интенсивным хозяйственным освоением Уральского региона большую актуальность приобрела проблема оценки и прогноза техногенных изменений геологической среды. Особенно велико влияние на этот процесс горнодобывающих комплексов. Добыча многих видов минерального сырья на Урале ведется уже более 200 летв регионе известны несколько тысяч месторождений полезных ископаемых и рудопроявлений. Сейчас глубина шахт на Урале достигает 1400−1600 м, карьеров до 350−430 м. В ближайшем будущем глубины освоения шахтами достигнут 2000 м, карьерами -500−700 м.

Добыча и переработка горнорудного сырье приводят к существенному изменению природной среды, геологических процессов, земельных и водных ресурсов. Развитие Уральского региона уже сейчас наталкивается на целый ряд серьезных проблем экологического порядка, многие из которых обусловлены техногенными изменениями геологической среды, требуют оценки и прогнозирования этих изменений с целью оптимизации природопользования. Все это предопределяет актуальность данной работы, поскольку систематического анализа и прогнозирования последствий деятельности горнодобывающей промышленности на состояние геологической среды региона не проводилось.

Цель исследований — разработка научных основ оценки техногенных изменений геологической среды на базе использования геофизической информации в комплексе с традиционными методами рудничной геологии, что позволяет расширить информационную базу прогнозов и повысить их обоснованность.

Основная идея — прямое использование геофизической информации как индикатора изменения состояния и свойств геологической ¦ среды для прогноза распространения техногенных изменений" и создание на этой основе прогностической модели, в которую входят переменные с различными темпами изменения.

Задачи исследования заключались в следующем:

1) Анализ связей между горногеологическими и геофизическими показателями, прежде всего между трещиноватоетью, изменением напряженного состояния, физико-механическими свойствами пород на различных месторождениях Урала, и сейсмоакустическкми и электрическими параметрами среды,

2) Выявление локальных и региональных закономерностей техногенных изменений геологическое среды.

3) Разработка методологии применения геофизических методов как инструмента изучения рудничной геологии и прогноза техногенных изменений среды.

4) Разработка инженерно-геологической модели техногенных изменений среды и соответствующей ей геофизической модели.

5) Разработка схемы инженерно-геологического районирования Урала с учетом современной тектоники как основы прогнозных построений.

6) Разработка и апробация нетрадиционных методик оценки и прогноза техногенных изменений геологической среды на ряде эксплуатируемых месторождений Урала.

Объекты и методы исследований. В основу работы положены материалы о горногеологических условиях, геофизических полях и изменениях геологической среды Уральского региона, полученные в ходе экспедиционных работ с 1973 по 1990 г. при личном участии автора.

Исследования детально проведены в Домбаровском, Учалинском,

Тагило-Кушвинском и Качканарском районах, где действуют крупные горнодобывающие комплексы (ГДК). Обследовано состояние геологической среды на Северном, Среднем и. Южном Урале (районы Северо-уральска, Карпинска, Кизела, Губахи, Соликамска, Красноуфимска, Иатальинска, Кировграда, Дегтярки, Буланаша, Артемовского, Екатеринбурга, Режа, Уфалея, Карабаша, Бакала, Сатки, ЮУБРа, Корки-на, Магнитогорска, Сибая, Гая, Орска, Еедногорска), в том числе на 26 крупных разрабатываемых месторождениях железных, медных и никелевых руд, утля и флюсовых известняков,

В работе использованы также фондовые материалы ГОКов и ПГО Уралгеология, Оренбурггеология, Башкиргеология и Центргеология. кетодологической базой работы являются исследования в области рудничной геологии, инженерной геологии месторождений и геологического прогнозирования. Изучался основной круг компонентов геологической среды, которые определяют характер техногешшх изменений, и их связи с физическими полями" При натурном изучении техногешшх изменений ¦ использован геофизический подходэкспериментальное изучение состояния среды в полевых условиях на ряде месторождений с использованием электрои сейсморазведки в наземном и подземном вариантах, а также анализ, обобщение и сопоставление фондовых геофизических материалов других методов исследования и различных масштабов, до регионального включительно, В работе широко использовано математическое моделирование.

Основная модель, использованная в работе — это инженерно-геологическая модель среды, в которой распространяются геомеханические и гидрогеологические возмущения, обусловленные изъятием горной массы и воды. При этом индикатором состояния среды к распространения возмущений служат физические поля, которые могут «работать» в том же масштабе, что и указанная инженерно-геслогическая модель. Основной метод локального прогноза — моделирование, экстраполяция тенденций и экспертные оценкиосновной метод регионального прогноза — экстраполяция локальных прогнозов и экспертные оценки•

Научные положения" выносимые на защиту:

1″ Методология изучения, оценки и прогноза техногенных изменений с использованием режимных геофизических наблюдений, позволяющих определять ряд специальных характеристик геологической среды — показателей структуры и спектрального состава геофизических полей различной природы.

2. Закономерности изменения структуры и спектрального состава геофизических полей в области техногенного воздействия и их связь с формированием зон техногенных изменений геологической среды. В зонах техногенных изменений происходит спектральная перестройка физических полей с повышением доли белого шума и появлением дополнительных высокочастотных компонентов спектра.

3. Формирование квазипериодических диссипативных структур в импактной зоне техногенных изменений происходит за ачет стока массы (изъятия горной массы, воды или нефти), а на периферииглавным образом за счет изменения гидродинамики средыпоэтому предлагаемая прогнозная модель является двухмасштабной, учитывающей скорость «медленных» геомеханических изменений (развитие зон обрушения, сдвижения, изменения свойств массива), и скорость «быстрых» гидродинамических изменений среды.

4. Результаты прогнозов изменения геологической среды в Уральском регионе^ установлено, что при сохранении существующих тенденций природопользования площади активного проявления техногенной геодинамики могут возрасти в регионе за период до 2010 г, почти вдвое.

Научная новизна диссертации заключается в том, что: -разработаны основные принципы оценки и прогноза техногенных изменений геологической среды на базе комплексного использования геофизической и традиционной горногеологической информации

— на примере Учалинского, Нижнетагильского и Качканарского районов исследованы механизм формирования и структура зон техногенных изменений среды и геофизических полей при разработке месторождений;

— разработаны и параметрически исследованы двухмасштабные геолого-геоу-изические модели техногенных изменений, которые можно использовать в качестве инструмента прогнозирования в рудничной геологии;

— для целей специального районирования исследованы напряженно-деформированное состояние больших участков земной коры, характеристики многомерных распределений и пространственная иэменчивс вость физических полей Урала (геомагнитного, гравитационного, рельефа, градиентов скоростей вертикальных тектонических двизкео ним).

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований, Результаты исследований непосредственно использовались при оценке запасов ряда аедноколчеданных месторождений Урала, вошли в отчеты с подсчетом запасов для ГКЗ. Выполнена оценка горно-геологических условий и последствий разработки 8 желез’оруд пых и медноколчеданных месторождений Урала, в том числе для таких крупных ГДК, как Учалинский, Нижнетагильский и Качканарский, Полученные результаты использовались при проектировании разработки месторождений.

Разработана и доведена до практического использования методика оценки техногенных изменений геологической среды с использованием данных инженерной геофизики, позволяющая повысить достоверность прогнозов.

Составлены «Методические рекомендации по инженерно-геологическому изучению рудных месторождений Урала» (ь соавторстве с СоГ. Дубейковским, М.Н.Бучкшьым), используемые работниками геологической службы ГОКов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международном, всесоюзных и региональных конференциях и симпозиумах, в том числе: «Инженерно-геологическое обоснование условий разработки месторождений», Н. Тагил, 1977; «Оптимизация природной среды», МЕГО, M., 1981; «Изучение инженерно-геслогических условий месторождений Урала различных генетических типов», Свердловск, 1983; «Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых», Свердловск, 1984; «Вопросы охраны природы при разработке. местороадений Урала», Свердловск, 1984; «Вопросы инженерно-геологических и гидрогеологических исследований в Уральском регионе», Свердловск, 1985; «Влияние добычи полезных ископаемых’на окружающую среду», ШЕЛ/ЮНЕСКО, Таллинн, 1986; «Гидрогеология, инженерная геология и охрана окружающей среды месторождений твердых полезных ископаемых», Свердловск: 1986; «Инженерно-геологические исследования и оценка техногенного подтопления в Уральском регионе», Свердловск, 1986; «Эффективные методы инженерно-геологических исследований Урала», Пермь, 1986; «Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территорий городов и городских агломераций», Одесса, 1987; «Новые методы поисков, разведки и анализа месторождений полезных ископаемых в связи с комплексным изучением недр Западного Урала», Пермь, 1987; «Методы оценки напряженного состояния массивов горных пород при разработке месторождений Урала», Североуральск, 1988; конференция НТП-90 ЯГО «Центргеология», Москва, 1990, и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано около 30 научных работ. Основные положения диссертационной работы вошли в том «Урал» подготовленного нового издания монографии «Инженерная геология», включены в разработанные ВСЕГШЗГЕО методические рекомендации по инженерно-геологическим исследованиям при разведке рудных месторождений, а также в «Методические рекомендации по инженерно-геологическому изучению рудных месторождений Урала», Свердловск, 1985 г.

Сттзуктура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 300 стр., включая 67 рисунков, 16 таблиц и список литературы — 139 названий. Основной объем работы можно условно подразделить на три части: Iэкспериментальные и теоретические исследования по оценке техногенных изменений среды с использованием геофизики, разработка геолого-геофизической модели, ее верификация, примеры- 2 — прогнозное районирование, соответствующее используемой модели техногенных изменений геологической среды- 3 — обсуждение результатов прогноза.

Основные выводы диссертации заключаются в следующем:

I. Впервые дана региональная оценка техногенной измененно-сти геологической среды Урала на основе систематизации, анализа и обобщения материалов по отдельным месторождениям и региону в целом. Установлено, что региональная изменчивость инженерно-геологической обстановки и фона экзогенных геологических процессов в основной своей части связаны с современной тектоникой и напряженным слстоянием земной коры. В этой связи исследована региональная изменчивость напряженно-дефодиированного состояния земной коры Урала. На основе обработки имеющейся геодезической и геофизической информации получена общая картина расположения зон разгрузки и концентрации напряжений в массивах.

Одной из основ выполненного инженерно-геологического районирования и прогноза является картографическое моделирование, сопоставляющее геоморфологические и геодинамические поля с полями физических свойств пород.

2. Полученная на новой информационной базе схема инженерно-геологического районирования Урала с выделением субширотных и диагональных инженерно-геологических таксонов и геопатоненных зон отражает общие закономерности распределения в регионе удароопас-ных участков, зон повышенной водообильноети и возможной активизации каретово-суффозионных процессов, а также участков проявления некоторых других горно-геологических процессов, таких как техногенная сейсмичность, выбросы воды и газа.

3. Впервые на Урале выделены региональные геопатогенные зоны, характеризующиеся неблагоприятным воздействием на человека и высокой чувствительностью геологической среды к техногенным возмущениям. На таких террирориях существенно осложняются горно-геологическая обстановка разработки полезных ископаемых и вообще условия хозяйственного освоения территорий. Велик риск принятия неправильных технических и технологических решений, поэтому последствия нарушения природного равновесия могут быть особенно велики, включая катастрофические ситуации. Часть негативных прогнозов уже оправдалась СБКРУ, Аша, Карпинск, Губаха).

4. Разработано новое направление оценки и пронноза техногенных изменений геологической среды на основе комплексного использования данных режиных геофизических наблюдений, с помощью предложенных автором специальных характеристик геологической среды

— показателей структуры и спектрального состава геофизических полей различной природы. Таким образом, инструментом изучения техногенных изменений является комплекс методов геофизики, а индикатором состояния среды — изменение уровней, структуры и спектрального состава физических полей.

В этих целях разработана методологическая база постановки и обработки данных режимных геофизических наблюдений в окрестности шахтных и карьерных полей, с использованием электрои сейсморазведки в наземном и подземном вариантах, а также анализ, обобщение и сопоставление фондовых геофизических материалов других методов исследований и различных масштабов (до регионального включительно) .

5. На основе разработанной методики экспериментально установлены и теоретически исследованы на примере Учалинского, Нижнетагильского и Качканарского рудных районов механизм формирования и структура зон техногенных изменений геологической средапри этом выявлены основные закономерности изменения уровней и структуры физических полей в области техногенного возмущения среды. Впервые обнаружено явление спектральной перестройки физических полей в зонах техногенных изменений среды с повышением доли белого шума и воявлением периодических высокочастотных компонентов спектра. Это явление обусловлено формированием своеобразных дис-сипативных структур массива — иначе говоря, новой пространственно-временной ^ упорядоченности среды.

Новообразованные структуры области техногенных изменений геологической среды имеют периодический характер, что отражается, в частности, на формировании гидродинамического поля и водоприто-ков в горные выработки.

Полученные данные об изменении различных компонентов геологической среды позволяют со значительной степенью достоверности дать прогноз прежде всего гидрогеомеханических. изменений массивов пород в импактной зоне при отработке новых участков и горизонтов месторождений, что весьма важно при определении степени риска для окружающей большинство уральских месторождений промышленной и городской застройки.

6. Теоретически предсказана и экспериментально обнаружена связь между диссипативными структурами, пространственной периодичностью геофизических полей в области техногенных изменений геологической среды и периодичностью изменений водопритоков в шахты и карьеры.

7. На основе обнаруженных закономерностей разработана инженерно-геологическая модель техногенных изменений среды, учитывающая то обстоятельство, что формирование квазипериодических дис-сипативных структур в импактной зоне техногенных изменений происходит за счет стока массы (изъятия горной массы, воды или нефти) а на периферии — главным образом за счет изменения гидродинамики среды.

Предложена математическая формулировка инженерно-геологической модели.

Модель является двухмасштабной, учитывающей скорость «медленных» геомеханических изменений (развитие зон обрушения, сдвижения, изменения свойств массива), и скорость «быстрых» гидродинамических изменений среды. Уравнения, моделирующие поведение геологической среды при техногенном воздействии, отражают структурную неоднородность массивов и неравномерное, с ускорением и замедлением, распространение изменений. Циклическое распространен ние возмущений от источника техногенного воздействия происходит в геологической среде на расстояние, во много раз превышающее размеры зоны непосредственного воздействия (т.е. шахтного или карьерного поля). В этом смысле, как установлено экспериментально с помощью методов геофизики, изменение среды не подчиняется принципу Сен-Ввнана (на котором основаны многие расчеты горно-геологических процессов).

8. Впервые разработаны локальные прогнозы изменения геологической среды на 15 разрабатываемых месторождениях Урала. С использованием методов экстраполяции тенденций и экспертных оценок на основе выполненного инженерно-геологического районирования дан прогнвз изменения геологической среды региона в целом на период до 2010 г. Согласно прогнозу, сохранение существующих тенденций природопользования чревато тем, что террирория активного проявления техногенной геодинамики возрастет за этот период почти вдвое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании результатов выполненных исследований сформулированы научные положения, составляющие в совокупности основы нового направления оценки и прогноза техногенных изменений геологической среды крупного региона.