Изучение напряженного состояния и механизма деформирования массивов горных пород при образовании природно-техногенных карстовых провалов

Полный текст

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 ${\sigma }_y^0=\gamma H$, горизонтальное ${\sigma }_x^0=\frac{v\gamma H}{1-v}$, где ν − коэффициент Пуассона), а в интервале соляной толщи − гидростатическое (${\sigma }_x^0={\sigma }_y^0=\gamma H$).

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»).

Об авторах

Ю. А. Мамаев

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mamaev47ya@mail.ru
Россия, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Москва, 101000

А. Н. Власов

Институт прикладной механики РАН

Email: iam@iam.ras.ru
Россия, Ленинградский пр., д. 7, Москва, 125040

М. Г. Мнушкин

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Email: mamaev47ya@mail.ru
Россия, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Москва, 101000

А. А. Ястребов

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Email: mamaev47ya@mail.ru
Россия, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Москва, 101000

Список литературы

Дополнительные файлы