The study of stress state and nechanism of rock massif deformation upon the formation of technonatural karst collapses

Cover Page

Abstract


The paper deals with the assessment of stress-strain state variation in rock massifs upon the formation of displacement moulds and surface sinkholes in the undermined areas of Verkhnekamskoe potassium salt deposit in Perm krai, Russia. Engineering geological conditions, as well as natural and technogenic factors influencing the development of hazardous geological processes are described by the example of one typical site of the deposit. Methodical issues of the development of geomechanical model for this site and compilation of finite-element calculation scheme with selecting calculation parameters of rock properties and boundary conditions of the calculation area are considered. Regularities in the variation of stress fields and rock massif deformations upon cutting mines at one depth are considered. The possible mechanisms of deformation and destruction of karstified rock massifs upon the formation of technonatural sinkholes on the earth surface are described. The results of the study are significant for predicting hazardous processes and undertaking protective measures.


Важная проблема строительства и эксплуатации подземных рудников для добычи калийных солей на территории крупнейшего в Российской Федерации Верхнекамского месторождения калийных солей в Пермском крае − развитие деформаций оседания и провалов земной поверхности на подработанных площадях. Это приводит к авариям и затоплению шахт, подземное пространство которых достигает десятков миллионов кубических метров, что существенно снижает запасы сырья калийного производства [3, 12]. Шахтные поля рудников распространены под промышленными зонами и жилыми кварталами городов Соликамск, Березники и примыкающих к ним населенных пунктов.

Деформации и разрушения промышленных и социальных объектов, инженерной и транспортной инфраструктур районов приводят к значительным ущербам. Поэтому важной задачей проводимых здесь геологических работ и мониторинговых наблюдений является установление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и механизмов их разрушения при образовании природно-техногенных карстовых провалов земной поверхности. Это важно для прогнозирования возможных опасностей и снижения рисков от их реализации [1, 4].

Расчетно-аналитические исследования напряженно-деформированного состояния массивов гор ных пород и возможных механизмов их разрушения были выполнены на Южно-Юрчукском участке шахтного поля четвертого Березниковского рудоуправления (БКРУ-4), входящего в состав Соликамско-Березниковской градопромышленной аг ломерации (СБГПА). Данный участок типичен по геологическому строению для большей части территории и хорошо разведан, в том числе глубокими скважинами до залегания нефтяных горизонтов.

Инженерно-геологические условия территории СБГПА, включая территорию г. Березники и прилегающих районов, сложные. Это обусловлено весьма пестрым петрографическим составом переслаивающихся горных пород терригенной, карбонатной и галогенной формаций нижнепермского возраста; непростым структурно-тектоническим планом территории с разломно-блоковой структурой массивов пород; тесной гидравлической связью поверхностных и подземных вод, имеющих разный химический состав и минерализацию; комплексом опасных геологических процессов, активность которых определяется как природными, так и техногенными факторами [9].

К группе природных факторов относятся сейсмические воздействия силой до 6 баллов, тектонические движения блоков по зонам тектонических нарушений; гипергенез, включающий выветривание, выщелачивание, разгрузку и трещинообразование в массивах пород; эрозионные; карстовые и суффозионные процессы, а также процессы массопереноса и переотложения растворимых пород; циклически повторяющиеся процессы затопления и подтопления территорий паводковыми водами и др.

Техногенные факторы развития опасных геологических процессов включают:

  • строительство подземных выработок (пустот) большого объема и больших площадей, испытывающих значительное давление на кровлю;
  • создание на дневной поверхности огромных солеотвалов высотой до 80-100 м, шламохранилищ и рассолосборников;
  • постоянные горные работы в подземном пространстве, обусловливающие вибрацию и другие динамические нагрузки;
  • создание поверхностных крупных водных объектов;
  • наведенную техногенную сейсмичность;
  • откачки подземных вод и нефти;
  • химическое загрязнение природной среды и др.

Кроме того, техногенными факторами развития опасных процессов являются нарушения технологических норм ведения горных работ запаздывание закладочных работ в выработках на сроки от нескольких до десятков лет; выполнение закладок в объемах в несколько раз меньше требуемых; увеличение объемов добычи и скоростей проходки выработок с применением старых технологий и оборудования; неправильные расчетные оценки напряженного состояния массивов пород при выбранных размерах камер и межкамерных целиков горных пород.

С целью уточнения и анализа геологических и структурно-геоморфологических условий рас сматриваемого района были выполнены дешифрирование и обработка космофотоснимков территории с построением цифровых моделей рельефа и комплекта инженерно-геологических карт. Это позволило уточнить и детализировать геоморфологические и структурно-тектонические условия территории, в том числе распространение отдельных крупных тектонических нарушений и зон их сгущений; установить места, где водозащитная толща продуктивных горизонтов калийных солей имеет малую мощность или просто отсутствует, что создает условия для втока поверхностных вод и перетекания подземных вод в соляные пласты.

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УЧАСТКА

Для целей численного моделирования процессов изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород при отработке залежи калийных солей были собраны, проанализированы и структурированы фондовый материал, а также данные из опубликованных источников, нормативных документов и отчетов. На основе экспертных оценок особенностей геологического строения участка и обоснования выбора расчетных значений показателей свойств горных пород разработана геомеханическая модель участка (рис. 1 а, б).

 

Рис. 1. Геомеханическая модель (в кружках обозначены номера ИГЭ): а – геологический разрез по расчетной области; б – состав пород Южно-Юрчукского участка месторождения калийных солей (составлена по материалам ПАО «Уралкалий» и ООО «Лукойл-Пермь»).

 

Для численного моделирования влияния отработки калийной залежи на деформации соляных выработок и величины осадки земной поверхности методом конечных элементов [2, 8] составлена конечно-элементная расчетная схема (рис. 2).

 

Рис. 2. Конечно-элементная расчетная схема и ее фрагмент для Южно-Юрчукского участка месторождения (в кружках – локальная нумерация пород).

 

Физико-механические свойства горных пород обосновывались и выбирались исходя из данных лабораторных испытаний горных пород, а также соотношения скоростей сейсмических волн, регистрируемых в полевых условиях в соответствующих элементах геологического разреза. Эта информация корректировалась на основе анализа данных по другим участкам месторождения и по различным литературным источникам [4, 5, 7 и др.]. Обобщенные показатели свойств, принятые в расчетной схеме, приведены в таблице.

 

Геолог. индекс пород

Состав пород

Мощность, м

Особенности разреза

Q

 

до 20; редко 50

 

P1ss*

Пестроцветная терригенная толща (ПТТ). Переслаивание красноцветных глин, аргиллитов, песчаников и конгломератов с прослоями сероцветных глинисто-карбонатных пород.

0-30

 

P1sl2

Известняки глинистые, мергели с прослоями аргиллитов, алевролитов, известковистых глин и песчаников; преимущественно сероцветные (ТКТ).

60-100

 

P1sl1

Мергели, глины известковые загипсованные с прослоями ангидрита, каменной соли и включениями пирита (СМТ).

До 120

 

В нижней части СМТ формируются переотложенные породы гипсово-глинистой коры (шляпы) за счет выщелачивания, переноса и отложения сульфатов.

Переходная пачка до 27 м

P1br4

Покровная перекрывающая толща каменной соли мелкокристаллической мощностью 15-25 м. (ПКС).

15-29

Водозащитная толща (ВЗТ) до 80 м

P1br3

Калийная залежь. Сильвинит-карналлитовая зона (СКЗ). Переслаивание пластов карналлита, пестроокрашенного сильвинита и каменной соли.

47-136

Сильвинитовая зона 12-40 м

P1br2

Подстилающая толща каменной соли (ПДКС).

До 500

 

P1br1

Глинисто-ангидритовая толща (ГАТ). Глина темно-серая, чередующаяся спрослоями и линзами ангидритов, известковистых аргиллитов, мергелей сподчиненными прослоями алевролитов, песчаников и каменной соли.

130

 

P1ar

Артинский ярус. Терригенный горизонт. Песчаники, алевролиты, аргиллиты, мергели с линзовидными включениями и тонкими прослоями известняков идоломитов.

200 (общая) 50 (терриген.)

 

Артинский ярус. Карбонатный горизонт. Известняки органогенно-обломочные, участками окремнелые с многочисленной фауной.

150

P1a+s

Ассельско-сакмарский ярус. Известняки серые, кристаллические, прослоями органогенно-детритовые; участками окремнелые, доломитизированные спрослоями доломитов; местами глинистые, битуминозные с фауной брахиопод, фораминифер.

300-350

 

C3

Переслаивание пачек доломитов серых, слабоизвестковистых, от глинистых до кристаллических, кавернозных с прослоями известняков и аргиллитов.

34-90

 

C2m

Московский ярус. Мячковский горизонт: Неравномерное переслаивание известняков от глинистых до окремнелых и доломитов кавернозных свключениями ангидритов.

До 140 (общая) 38-48

 

Подольский горизонт: Переслаивание доломитов, местами окремнелых, свключениями ангидритов с прослоями известняков органогенно-обломочных иаргиллитов.

43-53

Каширский горизонт: Доломиты, кристаллические известняки доломитизированные с прослоями аргиллитов.

35-55

Верейский горизонт: Известняки глинистые, мергели и аргиллиты.

60-72

C2b

Башкирский ярус. Известняки органогенные слоистые доломитизированные спрослоями глинистых. Включают Башкирский нефтеносный пласт.

До 60 (17-25 м)

 

C1s

Серпуховский ярус. Доломиты известковистые, неравномерно сульфатизированные, трещиноватые с пятнами битумов с прослоями известняков органогенных и глинистых с многочисленной фауной.

100

 

C1v

Визейский ярус. Переслаивание известняков органогенно-обломочных доломитизированных, реже глинистых с прослоями доломитов; глинистых битуминозных песчаников, аргиллитов и алевролитов. Включают Бобриковский нефтеносный пласт (до 24 м).

до 80

 

C1t

Турнейский ярус. Известняки мелкодетритовые, доломитизированные, прочные, трещиноватые (нефтеносные).

До 50

 

D1fm

Фаменский ярус. Известняки слабо доломитизированные со стилолитовыми швами и глинистыми примазками по плоскостям напластования.

До 180

 

 

Обобщенные показатели физико-механических свойств горных пород, выделяемых в геологических разрезах месторождений нефти на территории СБГПА

Геологический индекс

Система

Отдел

Ярус

Горизонт

Толща (пачка)

Состав пород

Мощность толщи

Плотность грунта γ

Скорость продольных волн Vp

Динамический модуль упругости Eд

Модуль деформации E

Коэфф. Пуассона ν

Удельное сцепление c

Угол внутр. трения φ

Предел прочности

при сжатии σсж

при растяжении σр

м

г/см3

км/с

МПа

МПа

-

МПа

°

МПа

МПа

Q

     

Пески с глинами, суглинками, реже сгалечниками

До 40

2.20

0.85

50

0.3

0.02

23

P1ss

Пермская (P)

Верхний (P2)

Уфимский

Шешминский

Пестроцветная терригенная толща

Песчаники, мергели, глинистые известняки, аргиллиты, алевролиты с линзами ипрослоями брекчий. Выветрелые, трещиноватые, выщелоченные. Мощность зоны гипергенеза до 90 м

До 50

2.15

до 1.65

700

700

0.3

0.3

27

(usl2) P1sl2

Соликамский

Терригенно-карбонатная толща ТКТ

Чередование известняков, мергелей спрослоями аргиллитов и известковистых глин. Выветрелые, трещиноватые, слабые

170

2.25

до 2.0

1200

300

0.25

0.6

25

(usl1) P1sl1

Соляно-мергельная толща СМТ

Мергели, глины известковистые, загипсованные и засоленные, иногда спрослоями ангидрита, каменной соли. Переходная пачка с сульфатной переотложенной корой («шляпой»)

100

2.25

2.0-2.9

400-800

400

0.3

0.4

15

P1br4

Пермская (P)

Нижний (P1)

Кунгурский

Иренский

Покровно-каменная соль (ПКС)

Покровная каменная соль, сильвинит карналлитовая и сильвинитовая пачки (калийные соли)

До 20

2.20

3.0

900

800

0.4

4.8

31

P1br3

Сильвинит карналлитовая зона

60

2.20

3.0

1000

700

0.4

3.9

31

P1br2

Подстилающая каменная соль (ПсКС

340

2.11

3.5

1200

800

0.4

4.1

31

P1br1

Глинисто-ангидритовая толща (c филипповской)

Чередование ангидритов, известковистых аргиллитов, мергелей с подчиненными прослоями и линзами алевролитов, песчаников и каменной соли

360

2.88

4.0

1100

140

0.3

2.5

30

8.6

2.9

P1ar

Артинский

 

Терригенная

Песчаники, алевролиты, аргиллиты, мергели с линзовидными включениями итонкими прослоями известняков идоломитов

До 260

2,58

4.2

2600

90

0.25

0.7

25

3.0

0.5

Карбонатная

Известняки светло-серые, темно-серые, участками окремнелые, органогенно-обломочные с многочисленной фауной

130

2.60

4.0

1100

140

0.25

0.9

25

10

3

P1a+s

Ассел.+сакм.

 

Карбонатная известняковая

Известняки серые, кристаллические, прослоями органогенно-детритовые, участками глинистые, битуминозные

300

2.64

4.5

1400

200

0.27

15

30

51

5

C3

Каменно угольная (C)

Верхний (C3)

  

Карбонатная доломитовая

Доломиты серые, слабо известковистые, прослоями глинистые, кристаллические, участками кавернозные с прослоями известняков

70

2.64

4.7

1400

140

0.27

0.4

28

10

2.5

Примечания: Для солей значение коэффициента ν = 0.5 соответствует значению, принятому в расчетах начального напряженного состояния; в таблице – значение, принимаемое в расчетах.

 

Шахтная добыча полезных ископаемых представляет собой распределенное во времени природно-техногенное воздействие на породный массив, которое проявляется в изменении его напряженно-деформированного состояния.

В геомеханических расчетах принималось, что основное естественное напряженное состояние пород в недрах Соликамской впадины − литостатическое (вертикальное напряжение σy0=γH, горизонтальное σx0=vγH1-v, где ν − коэффициент Пуассона), а в интервале соляной толщи − гидростатическое (σx0=σy0=γH).

Численное моделирование изменения НДС массива пород осуществлялось в 2D-постановке (в условиях плоской деформации).

Размеры расчетной области превышают размеры участка инженерно-геологических изысканий. Поэтому имеющаяся информация о строении и физико-механических свойствах горных пород распространялась на всю расчетную область.

Расчетная модель, построенная на основе геомеханической модели, включала в себя массив горных пород с размерами основания ≈9900×2340 м.

Рассматриваемая область (разрез) аппроксимировалась изопараметрическими четырехугольными конечными элементами второго порядка (4 узла в углах + 4 узла на сторонах элемента, см. рис. 2) [2].

Решение проводилось в несколько этапов, которые соответствовали шагам “нагружения” модели:

  • формирование начального НДС массива, обусловленного силами гравитации и исходным геологическим строением;
  • моделирование НДС массива пород с учетом создания подземных соляных выработок. При этом напряжения, рассчитанные на предыдущей стадии, рассматривались в качестве начальных.

При выполнении численных расчетов назначались следующие граничные условия по закреплениям:

  • на поверхности расчетной области – свободное перемещение узлов по всем направлениям;
  • на боковых границах расчетной области – свободное перемещение в вертикальном направлении (вдоль оси Y) и запрет на горизонтальные перемещения (вдоль оси Х);
  • на подошве расчетной области – запрет на перемещения по всем направлениям.

Скальные породы и соляные пласты моделировались с использованием модели Хоека-Брауна [14, 15], дисперсные породы – идеально-упругопластической модели Друкера-Прагера.

Численная реализация расчетной схемы проводилась по стандартному алгоритму метода конечных элементов.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выполненные расчеты позволили качественно и количественно охарактеризовать возможные деформации в массивах пород соляной и надсоляной толщ в процессе развития мульды сдвижения пород над выработанным пространством при разном количестве (протяженности) горных выработок (камер) (рис. 3 а-г). Размеры камер были приняты 13×15 м, а ширина межкамерных целиков горных пород – 10 м.

 

Рис. 3. Вертикальные смещения (осадки) при разной протяженности горизонта соляных выработок (камер): а − 2 камеры; б − 6 камер; в − 8 камер; г − 13 камер.

 

Уже при создании двух расположенных рядом камер в перекрывающем их массиве пород формируется общий свод вертикальных деформаций, который по мере увеличения количества камер (протяженности горизонта выработки) увеличивается в размерах в высоту и ширину. При 5-6 камерах, расположенных рядом по одному горизонту отработки солей на глубине 200-250 м, единый свод вертикальных деформаций достигает поверхности земли, а при 12-13 камерах в ряд вертикальные оседания земной поверхности уже достигают десятков сантиметров.

Расчетами установлено значительное увеличение интенсивности касательных напряжений в массиве пород при увеличении в нем количества горных выработок.

На общую устойчивость горных выработок влияют, в первую очередь, состав, состояние и физико-механические свойства пород, слагающих кровли выработок и межкамерные целики, в которых возможно формирование трещин скола, а также наличие зон крупных тектонических нарушений с повышенной трещиноватостью и ослабленными свойствами пород [11, 12]. Ширина зон влияния отдельных крупных тектонических нарушений, по данным моделирования, может достигать 100-200 м.

Необходимо отметить, что установленные расчетные величины деформаций оседания земной поверхности и размеры зон изменения НДС массивов пород получены на расчетных схемах, в которых учитывались имеющиеся, преимущественно стандартные (условно мгновенные) показатели прочностных и деформационных свойств, определяемые по схемам быстрых геотехнических испытаний горных пород. В конкретных геологических условиях рассматриваемой территории при длительном воздействии напряжений (десятки лет) происходит постепенное значительное снижение прочности горных пород, характеризуемое понятием “длительной прочности”, показатели которой всегда значительно меньше стандартной прочности [5, 6, 11, 13, 16, 17]. При учете в моделях реологических свойств пород, характеризующих деформации ползучести горных пород при долговременном силовом воздействии на них, величины деформаций пород при подземной отработке залежи калийных солей в массиве и на дневной поверхности будут значительно больше. По данным натурных наблюдений на земной поверхности они достигают 4-5 м.

Над подземными горными выработками большого размера формируются объемные зоны измененного НДС горных пород, в пределах которых напряжения меняются с сжимающих (геостатических) на растягивающие, действующие вблизи и на поверхности выработок [10]. При разрушении горных пород вокруг выработок вместе с развитием трещин меняются деформационные характеристики массива пород, включающего сплошные участки относительно сохранных блоков и пакетов пород и зоны нарушений. Развитие деформаций в этих зонах приводит в дальнейшем к формированию куполов обрушения над выработками. При этажном (друг над другом) расположении последних могут развиваться весьма сложные зоны разрушений в массивах горных пород, которые могут достигать земной поверхности, образуя участки оседаний и провалы [1].

Механизмы разрушения разблоченных, сильно трещиноватых массивов скальных и полускальных горных пород значительно сложнее, чем в дисперсных грунтовых толщах.

На рассматриваемой территории СБГПА нижнепермские терригенно-карбонатные породы повсеместно перекрыты чехлом рыхлых четвертичных отложений разного генезиса, мощностью от 10 до 20 м. Именно в терригенно-карбонатных породах над выработанным подземным пространством рудников отмечаются значительные (до 4-5 м) деформации с последующим возникновением на дневной поверхности больших провалов размерами от 100 до 400 м. Очевидно, что эти катастрофические явления обусловлены активным проявлением суффозионных и карстовых процессов в зоне гипергенных (вторичных) изменений в верхней части толщи. Их активизации способствуют также процессы разгрузки напряжений, трещинообразования, химического, физического и биологического выветривания, а также выщелачивания и механического выноса грунтовых частиц подземными водами.

Базисами эрозии карстовых и суффозионных процессов на рассматриваемой территории являются не только современные долины р. Камы и ее притоков, но и расположенная в непосредственной близости к шахтным полям калийных рудников древняя переуглубленная долина Пра-Камы с глубиной эрозионного вреза более 100 м.

Разный петрографический состав переслаивающихся горных пород, их тектоническая раздробленность, высокая трещиноватость и выветрелость в зоне гипергенеза обусловливают их значительную неоднородность. По данным гранулометрического анализа, коэффициент неоднородности отдельных горизонтов горных пород колеблется от 3 до 100 и более. При значении коэффициента неоднородности более 20 породы считаются неоднородными. Таким образом, можно заключить, что горные породы отдельных зон и горизонтов терригенно-карбонатной толщи сильно неоднородные и сверх суффозионно опасные.

По нормативным данным, в толщах неоднородных пород суффозия может развиваться уже при градиентах напора подземных вод больше 5. В случаях аварий 1986, 2006, 2010, 2011 и 2015 гг. при изменении природных гидродинамических условий градиенты напора достигали значений 200-250, что в десятки раз превышает нормативные значения градиентов, при которых начинает развиваться механический размыв и вынос грунтовых частиц [1, 3, 9]. В этом случае можно говорить о внутренней эрозии – размыве и выносе почти всех фракций несвязной рыхлой породы, в том числе заполнителя трещин, в существующие карстовые полости больших размеров или в полости, образуемые в ходе самого процесса за счет выщелачивания пород в стенках полостей и трещин.

Следует отметить, что все случившиеся в пределах данной территории провалы земной поверхности (1986 г. – на площади рудника БКРУ-3; 2007, 2010, 2011 и 2015 гг. – на руднике БКПРУ-1) произошли в результате деформаций терригенно-карбонатных пород в зонах влияния крупных тектонических нарушений и имели глубину 80-90 м, при том что шахтные выработки располагались на значительно больших глубинах – 200-300 м.

Нижняя граница зоны гипергенеза коренных пород, по данным бурения и геофизики, располагается на глубинах 80-90 м. Ниже залегают относительно сохранные, менее выветрелые и трещиноватые породы.

Особое значение в массивах горных пород надсоляной толщи имеют зоны крупных тектонических нарушений, характеризующиеся высокой трещиноватостью, раздробленностью и проницаемостью пород. Данные зоны являются путями сосредоточенной фильтрации и каналами проникновения агентов выветривания пород, а также химических загрязняющих элементов. В пространственном отношении общее направление фильтрационных потоков было и остается направленным вниз в сторону современной долины р. Камы, к основанию ее древней переуглубленной долины и еще глубже к зонам втока в подземные шахтные выработки большого объема.

Ниже рассмотрены гипотетические возможные схемы развития деформаций в надсоляной толще нижнепермских отложений, представленных породами терригенно-карбонатного и соляно-мергельного состава, перекрывающей соляные породы большой мощности с разрабатываемыми горизонтами калийных солей.

Одна из схем формирования провалов на территории г. Березники предполагает (рис. 4), что первоначально происходит ослабление несущей способности целиков и стен камер, развитие деформаций в толще вышележащих пород с изменением их НДС и последующим нарушением сплошности водозащитной толщи. Развивается длительная интенсивная вертикальная фильтрация; растворение и суффозия пород терригенно-карбонатной и соляно-мергельной толщ; поступление в разной степени минерализованных вод в подземные выработки; растворение целиков и стен камер в ослабленной зоне сильвинито-карналлитовой толщи. Над выработанным подземным пространством большого объема и большой площади формируется свод обрушения, продвигающийся от подземных выработок вверх с выходом на поверхность в виде провала.

 

Рис. 4. Схема механизма и динамики формирования провала на руднике БКПРУ-1 (вариант 1).

 

По другой схеме (рис. 5), описанные выше процессы являются лишь ”спусковым крючком”, активизирующим процесс развития карстовых и суффозионных деформаций в вышележащих терригенно-карбонатной и соляно-мергельной толщах. Нарушение сплошности водозащитной толщи над подземными горными выработками, обусловленное изменением НДС массивов пород, ослабленных шахтами, приводит к развитию во всей выше залегающей толще повышенной трещинной пустотности и длительной вертикальной направленной вниз фильтрации с большими скоростями и объемами втока в подземные выработки.

 

Рис. 5. Схема механизма и динамики формирования провала на руднике БКПРУ-1 (вариант 2).

 

Процесс интенсивной промывной фильтрации, длящийся годами, накладывается на природный карстовый процесс, активно развивающийся в мощной зоне гипергенеза древних пермских отложений. Именно здесь формируются крупные карстовые полости и разветвленные протяженные карстово-суффозионные каналы и галереи, заложенные по крупным тектоническим и литогенетическим трещинам, над которыми в пределах зоны гипергенеза мощностью до 90 м образуются крупные мульды оседания и провалы земной поверхности. Причем карстовый процесс существенно активизируется из-за сильного химического загрязнения подземных вод выбросами, выпусками и отходами промышленных предприятий, содержащими в большом количестве свободную углекислоту, которая способна ускорять процесс растворения пород в десятки раз.

Существуют и другие гипотетические схемы формирования провалов в надсоляной толще. Одна из них предполагает, что развитие провала происходит по типу работы песочных часов, когда идет встречное развитие процессов, а именно: снизу вверх – рост свода обрушения над подземными выработками, и сверху вниз – усиление (увеличение объемов и скоростей) карстовых, суффозионных и деформационных процессов в гипергенно измененной толще пород. В заключительной стадии происходит расширение контактной области развития встречных процессов сначала с деформациями “течения грунта в отверстие”, а затем с обрушением масс горных пород в нижнюю полость и образованием провала. Весьма вероятно, что на рассматриваемой территории все приведенные выше схемы развития провалов над подземными выработками могут иметь место. Это зависит от того или иного сочетания природных геологических и техногенных факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования инженерно-гео логических условий подрабатываемых территорий месторождений полезных ископаемых в Пермском крае показывают, что создание шахтных полей большой площади и большого объема оказывает существенное влияние на изменение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и развитие опасных геологических процессов: оседание и провалы земной поверхности, активизация карстовых и суффозионных процессов, прорывы подземных вод в горные выработки и другие.

Для их изучения, прогнозирования и предупреждения негативных последствий требуется проведение комплексных геологических, геотехнических и расчетно-аналитических работ, включающих вариантные расчеты на математических геомеханических моделях геологической среды, а также долговременных комплексных мониторинговых наблюдений и измерений с установлением факторов-индикаторов (предвестников), указывающих на направленность и стадию развития негативных процессов.

Дальнейшие геологические и аналитические работы, включая математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массивов горных пород на провалоопасных участках, могут дать более обоснованные прогнозные оценки опасности развития деформаций и провалов земной поверхности на территории г. Березники и в целом на территории Соликамско-Березниковской градопромышленной агломерации Пермского края.

Результаты комплексных исследований, дополняющие и уточняющие друг друга, позволяют контролировать и прогнозировать развитие опасных геологических процессов, принимать защитные инженерные, административно-организационные и планировочные градостроительные меры, снижающие уровень социальных и экономических рисков.

Источник финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (проект № 16-17-00125 «Оценка риска опасных природных процессов на урбанизированных территориях»).

Yu. A. Mamaev

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: mamaev47ya@mail.ru

Russian Federation, Ulanskii per., 13, str.2, Moscow, 101000

A. N. Vlasov

Institute of Applied Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: iam@iam.ras.ru

Russian Federation, Leningradskii pr., 7, Moscow, 125040

M. G. Mnushkin

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: mamaev47ya@mail.ru

Russian Federation, Ulanskii per., 13, str.2, Moscow, 101000

A. A. Yastrebov

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences
 

Email: mamaev47ya@mail.ru

Russian Federation, Ulanskii per., 13, str.2, Moscow, 101000

  1. Avariinye situatsii pri stroitel’stve i ekspluatatsii transportnykh tonnelei i metropolitenov [Emnergency situations upon construction and operation of transport and metro tunnels]. S.N. Vlasov, A.V. Makovskii, V.E.Merkin et al. Moscow, TIMR Publishers, 2000, 195 p. (in Russian)
  2. Bate, K.Yu. Metody konechnykh elementov [Methods of finite elements]. Moscow, Fizmatlit Publishers, 2010, 1024 p. (in Russian)
  3. Borzakovskii, B.A., Marakov, V.E., Tennison, L.O. Predicted negative impact of flooding BKRPU-1 OAO Uralkalii on urban and industrial buildings in Berezniki town. Gornyi inform.-analyt. byulleten, 2009, no. 7, pp.381-396. (in Russian)
  4. Bulat, A.F. Tasks in rock mass deformation. Prikladnaya mekhanika, 2004, vol. 40. No. 12, pp. 3-16. (in Russian)
  5. Wittke, W. Rock mechanics. Moscow, Nedra Publishers, 1990, 439 p. (in Russian)
  6. Issledovanie prochnosti i deformiruemosti gornykh porod [Study of rock strength and deformability]. Moscow, Nauka, 1973, 208 p. (in Russian)
  7. Kartashov, Yu.M.,Matveev, B.V., Mikheev, G.V., Fadeev, A.B. Prochnost’ i deformiruemost’ gornykh porod [Rock strength and deformability]. Moscow, Nedra, 1979, 269 p. (in Russian)
  8. Olovyannyi, A.G. Nekotorye zadachi mekhaniki massivov gornykh porod [Some problems in rock mass mechanics]. St.Petersburg, VNIMI Publishers, 2003, 234 p. (in Russian)
  9. Osipov, V.I., Baryakh, A.A., Sanfirov, I.A., Mamaev, Yu.A., Yastrebov, A.A. Karst hazard upon the flooding of potassium mine in Bereznyaki town (Perm krai, Russian Federation). Geoekologiya, 2014, no. 4, pp. 356-361. (in Russian)
  10. Savin, G.N. Raspredelenie napryazhenii okolo otverstii [Stress distribution near openings] Kiev, Naukova Dumka, 1968, 891 p. (in Russian)
  11. Beron, A.I. Svoistva gornykh porod pri raznykh vidakh i rezhimakh nagruzheniya [Rock properties upon various types and regimes of loading]. Moscow, Nedra, 1983, 276 p. (in Russian)
  12. Stavrogin, A.N., Protosenya, A.G. Prochnost’ gornykh porod i ustoishivost’ vyrabotok na bol’shikh glubinakh [Rock strength and mine workings stability at a large depth]. Moscow, Nedra, 1985, 271 p. (in Russian)
  13. Stavrogin, A.N., Tarasov, B.G. Eksperimental’naya fizika i mekhanika gornykh porod [Experimental physics and rock mechanics]. St.Petersburg, Nauka, 2001, 343 p. (in Russian)
  14. Eberhardt, E. The Hoek–Brown Failure Criterion.
  15. Rock Mech. Rock Eng., 2012, vol. 45, pp. 981-988.
  16. Hoek, E, Brown, E.T. The Hoek–Brown failure criterion – a 1988 update. Curran J., Ed. Proceedings of the 15th Canadian Rock Mechanics Symposium. University of Toronto, Toronto, 1988, pp. 31-38.
  17. Jaeger, J., Cook, N.G., Zimmerman, R. Fundamentals of Rock Mechanics. Wiley-Blackwell, 2007, 475 p.
  18. Wittke, W. Rock mechanics. Theory and applications with case histories. Berlin: Springer Verlag, 1990.1075 p.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1. Fig. 1. Geomechanical model (in circles there are numbers of IGE): a - a geological section on the calculated area; b - the composition of the rocks of the Yuzhno-Yurchuksky area of the potassium salt deposit (compiled from materials of PJSC Uralkali and LLC Lukoil-Perm). View (505KB) Indexing metadata
2. Fig. 2. The finite element calculation scheme and its fragment for the Yuzhno-Yurchuksky part of the field (in circles, the local numbering of rocks). View (436KB) Indexing metadata
3. Fig. 3. Vertical displacements (precipitation) at different lengths of the horizon of salt workings (chambers): a - 2 chambers; b - 6 cameras; in - 8 cameras; g - 13 cameras. View (501KB) Indexing metadata
4. Fig. 4. Diagram of the mechanism and the dynamics of the formation of a dip in the mine BKPRU-1 (option 1). View (430KB) Indexing metadata
5. Fig. 5. Diagram of the mechanism and dynamics of the formation of a dip at the mine BKPRU-1 (option 2). View (402KB) Indexing metadata

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 78

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences