СПОСОБ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА НА ГЕОДИНАМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ ОСВОЕНИЯ НЕДР Российский патент 2021 года по МПК E02D1/02 

Изобретение относится к способам контроля геодинамических процессов при освоении недр и земной поверхности.

Сущность: Конфигурацию и размеры геодинамического полигона устанавливают с условием включения в него взаимодействующих областей геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр, размеры которых определяют по значениям мощности слоя земной коры, находящимся в предельно напряженном состоянии.

Технический результат: контроль геодинамического состояния объектов освоения недр, повышение геодинамической безопасности освоения недр и земной поверхности.

Изобретение относится к отраслям добывающей и строительной промышленностей, может быть использовано при геодинамическом мониторинге территорий, на которых осуществляется геомеханическое воздействие на недра и земную поверхность и предназначено для отслеживания и прогноза опасных геодинамических процессов, вызванных деятельностью человека.

Профилактика и предупреждение опасных геодинамических процессов, вызванных деятельностью человека, прежде всего индуцированных землетрясений и аномальных проявлений процессов сдвижения, является актуальной экологической, социальной и технической проблемой в районах освоения недр и земной поверхности. Для контроля процессов сдвижения, прогноза и профилактики индуцированной сейсмичности в районах геомеханического воздействия на недра и земную поверхность организуются геодинамические полигоны и проводится мониторинг. Изобретение направлено на повышение геодинамической безопасности освоения недр и земной поверхности.

Известен способ выбора параметров геодинамического полигона на месторождении твердых полезных ископаемых [Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях, 1985 г.; Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений, 1986 г.]. Конфигурацию и местоположение геодинамического полигона устанавливают с учетом ожидаемых размеров и конфигурации мульды сдвижения. Однако, опасные геодинамические процессы и явления, и их предвестники могут проявляться на больших расстояниях от мест разработки полезных ископаемых. Например, на руднике Пршибрам (Чехия), по свидетельству В. Cernik (1964), за период с 1910 по 1960 г. произошли горные удары восточнее разработок на 20 км; севернее разработок - на 10 км; южнее разработок - на 10 км. [ 1964 Statistical analysis of rock bursts over the period 1910-1960. In: HorskeTlaky a Mech. Pohori. Praha, pp. 284-295. Discuss, pp. 367-385]. Недостатком способа является пропуск опасных геодинамических процессов и явлений и их предвестников, проявляющихся в районе месторождения, что связано с ограниченными размерами геодинамического полигона.

Известен также способ выбора параметров геодинамического полигона на месторождениях углеводородов. Конфигурация и местоположение геодинамического полигона выбирается в зависимости от наличия тектонических напряжений, их ориентировки в пространстве, а также с учетом результатов выполненного численного моделирования прогнозных оседаний и контуров газоводяного (ГВК) и нефтеводяного (НВК) контактов [Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД-07-603-03), Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов, В.В. Мусихин, С.Э. Никифоров «Организация геодинамического полигона на Ванкорском нефтегазоконденсатном месторождении», 2012.]. Однако опасные геодинамические процессы и явления и их предвестники могут проявляться на больших расстояниях от мест разработки месторождений углеводородов. Например, опасные оседания земной поверхности и сейсмичность при разработке газового месторождения Лак (Lacq) регистрировались на расстояниях до 20 км и более от мест разработки [Bardainne, Т., Dubos-Sallee, Ν., Senechal, G, Gaillot, P., Perroud, H., 2008. Analysis of the induced seismicity of the Lacq gas field (southwestern France) and model of deformation. Geophys. J. Int. 172, 1151-1162. http://dx.doi.Org/10.1111/j.1365-246X.2007.03705.x.].

Недостатком способа является пропуск опасных геодинамических процессов и явлений и их предвестников, проявляющихся в районе месторождения, что связано с ограниченными размерами геодинамического полигона.

Также известен способ выбора параметров геодинамического полигона на подземном хранилище газа (ПХГ). На региональном этапе наблюдениями покрывается площадь горного отвода по латерали и максимальная толщина резервуара геообъекта, используемая под ПХГ, а также территория (кольцо) вокруг ПХГ шириной, в среднем, 2-3 км. [патент РФ RU (11) 2423306(13) С1]. Способ включает оценку размеров территории предполагаемых просадок земной поверхности в месте расположения ПХГ за весь период его эксплуатации и создание на этой территории комплексного геодинамического мониторинга с учетом расположения активных разломов, которые могут являться зонами опасных деформаций при цикличной эксплуатации ПХГ. Однако опасные геодинамические процессы и явления, а также их предвестники могут проявляться на больших расстояниях от ПХГ. Например, известен случай активизации сейсмичности в радиусе до 10 км от ПХГ в Испании, проект Кастор [Gaite, В., Ugalde, Α., Blanch, Ε., 2016.

Improving the location of induced earthquakes associated with an underground gas storage in the Gulf of Valencia (Spain). Phys. Earth Planet. Inter. 254, 46-59].

Недостатком способа является пропуск опасных геодинамических процессов и явлений и их предвестников, проявляющихся в районе ПХГ, что связано с ограниченными размерами геодинамического полигона.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ выбора параметров геодинамического полигона, закладываемого на участке совместной разработки месторождения подземным и открытым способами [Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений, 1986 г.]. При наличии двух объектов освоения недр закладывают комплексные наблюдательные станции. На уступах и откосах бортов карьера закладывают наблюдательные станции, состоящие из профильных линий реперов в зоне влияния подземных разработок. На участке разработки подземным способом закладывают наблюдательные станции, состоящие из глубинных реперов в скважинах и реперов в выработках, расположенных под карьером. Таким образом, размеры геодинамического полигона ограничены общей площадью совмещенных горных работ. Однако опасные геодинамические процессы и явления, и их предвестники могут проявляться на больших расстояниях от мест разработки полезных ископаемых.

Недостатком способа является пропуск опасных геодинамических процессов и явлений и их предвестников, проявляющихся в районе месторождения, что связано с ограниченными размерами геодинамического полигона.

Техническим результатом изобретения является контроль проявлений опасных геодинамических процессов и их предвестников в районе расположения объектов освоения недр, повышение геодинамической безопасности освоения недр и земной поверхности в регионе.

Технический результат достигается следующим образом. В районе запланированного воздействия на недра или земную поверхность, например, ПХГ, учитывают пространственное расположение других геодинамически опасных объектов, и параметры геодинамического полигона выбирают с учетом суммарной площади взаимодействующих между собой областей геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр.

Способ поясняется на фигуре 1. Цифрами обозначены следующие составные элементы. 1 - контур геодинамически опасного объекта; 2 - территория геодинамического полигона в соответствии с прототипом (аналогом) и его опорные пункты 3; 4 - контуры геодинамического полигона в соответствии с заявляемым способом; 5 - области геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр с линейным размером Ri.

Способ реализуется следующим образом. В районе геодинамически опасного объекта освоения недр, например, ПХГ, учитывают пространственное расположение всех i геодинамически опасных объектов освоения недр и параметры геодинамического полигона выбирают с учетом суммарной площади взаимодействующих между собой областей геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр.

Для этого оценивают мощность Н; слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии в районе каждого из этих i объектов. Размеры R, области геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр оценивают по формуле

R_i=nH_i

где n - соотношение между размером очага землетрясения r и размером области его подготовки R, n=r/R, принятые для данного района. Анализируют пространственное расположение областей R, и при их пересечении геодинамический полигон закладывают таким образом, чтобы он включал все области R_i, имеющие взаимные пересечения.

Реализация предлагаемого способа возможна на основании того, что существует взаимодействие между современными геодинамическими процессами в земной коре и геомеханическими процессами, возникающими при освоении недр [Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование при строительстве и эксплуатации рудников. М.: Недра, 1988]. Обнаружение тесной взаимосвязи между глобальными геодинамическими и локальными геомеханическими процессами признается важнейшим итогом геомеханико-геодинамических исследований 20-го века [Мельников Η.Н. Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах // Том 1. Изд. СО РАН. - 2018. - Т. 1. С. 539. ISBN: 978-5-7692-1575-9.]. Имеются количественные оценки этой взаимосвязи. По исследованиям В.А. Смирнова размеры очага горного удара г связаны с размерами области его подготовки R, n=r:R=1:15 (Смирнов В.А. Физические процессы в очагах горных ударов и региональный прогноз их по геофизическим полям: Автореф. дисс. д-ра техн. наук. - С. Петербург: ВНИМИ, 1991. - 51 с.). В сейсмологии имеются оценки соотношения размеров очаговой зоны землетрясения г и области его подготовки R как n=1:30 (Садыкова А. Модель сейсмического процесса в периоды подготовки сильных землетрясений северного Тянь-Шаня/ Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии. - Алмааты. 2004. С. 244-249). В свою очередь, размер очаговой зоны г динамического явления определяется размерами области массива, находящегося в предельно напряженном состоянии. По современным представлениям, земная кора может находиться в предельно напряженном состоянии от поверхности до некоторой глубины Η (Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках./Под ред. И.М. Петухова, A.M. Ильина, К.Н. Трубецкого (авт. Петухов И.М., Шабаров А.Н., Батугин А.С. и др.) М.: Изд. АГН. 1997. 377 с.). Глубина Η на современном уровне знаний может быть оценена расчетным путем или принята равной максимальной глубине расположения сейсмоактивного слоя земной коры Нс.а. (Батугин А.С. Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности: автореф. дисс. д-ра техн. наук. - М.: Москов. Гос .горн, ун-т, 2008. - 39 с.). Максимальная глубина расположения сейсмоактивного слоя земной коры Н_с.а. определяется по максимальным глубинам гипоцентров землетрясений в данном районе. При наличии такой информации можем принять Η=Н_с.а.

Таким образом, на основе данных о мощности Η слоя земной коры, находящегося в предельно напряженном состоянии, можем принять r=Н, откуда R_i=nΗ_i, где n - соотношение между размером очага землетрясения и размером области его подготовки, принятые для данного района. Согласно предлагаемому изобретению, геодинамический полигон организуется на территории, включающей взаимодействующие (пересекающиеся) области R от различных геодинамически опасных объектов освоения недр на рассматриваемой территории.

В качестве примера рассмотрим Калининградскую область, фигура 2. Калининградское ПХГ расположено на расстоянии 20 км от Калининграда. ПХГ признаются геодинамически опасными объектами, способными вызывать техногенные (индуцированные) землетрясения [Foulger GR, Wilson MP, Gluyas JG, Julian BR, Davies RJ. Global review of human-induced earthquakes. Earth-Science Reviews 2018; 178: 438-514]. В этом районе в 2006 г зафиксированы землетрясения с магнитудой 6 и глубиной гипоцентра 10 км [Gregersen S., Wiejacz P., Domanski В., Assinovskaya В., Guterch В., Nikulin V.G., Pacesa Α., Puura V., Aronov A.G., Aronova T.I., G. Grunthal, Husebye E.S., Sliaupa S. The exceptional earthquakes in Kaliningrad district, Russia on September 21, 2004 // Physics of The Earth and Planetary Interiors. 2007. V. 164. №1-2. P. 63-74], что позволяет принять Η=10 км. Примем n=R/r=15, что соответствует современным представлениям, полученным на основании анализа фактических данных по горным ударам и землетрясениям. С учетом n=15 и r=10 км соответственно получим R=150 км. К югу от Калининграда ведется строительство Калинингадского соляного рудника с запланированной глубиной ведения горных работ до 1150 м. Соляные рудники являются геодинамически опасными объектами и на них происходят самые сильные горные удары, проявляющиеся как техногенные землетрясения [Foulger GR, Wilson MP, Gluyas JG, Julian BR, Davies RJ. Global review of human-induced earthquakes. Earth-Science Reviews 2018; 178: 438-514]. Для Калининградского соляного рудника аналогично можем принять Η=10 км, откуда R=150 км. На фигуре 2 показано, что, поскольку области геодинамического влияния земной коры на ПХГ и соляной рудник, каждая размером R=150 км, полностью перекрывают Калининградскую область, вся ее территория относится к геодинамическому полигону. Согласно изобретению, для геодинамического мониторинга объектов освоения недр геодинамический полигон создают в пределах объединенной области геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр.

Фиг. 2 Территория Калининградской области как геодинамический полигон. 1 - контур геодинамически опасного объекта; 2 - территория геодинамического полигона в соответствии с прототипом (аналогом) и его опорные пункты 3; 4 - контуры геодинамического полигона в соответствии с заявляемым способом; 5 - границы Калининградской области.

Изобретение может быть использовано в добывающей и строительной промышленностях для геодинамического мониторинга территорий и предназначено для отслеживания и прогноза опасных геодинамических процессов, вызванных деятельностью человека. Способ выбора параметров геодинамического полигона включает определение месторасположения геодинамически опасных объектов освоения недр в изучаемом районе, закладку опорных и рабочих пунктов, проведение маркшейдерских и геофизических измерений. Определяют в местах расположения геодинамически опасных объектов освоения недр мощность слоя земной коры Н, находящегося в предельно напряженном состоянии. С учетом значений H определяют размеры областей геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр и параметры геодинамического полигона выбирают с учетом суммарной площади взаимодействующих между собой этих областей. Технический результат состоит в обеспечении контроля проявления опасных геодинамических процессов и их предвестников в районе расположения объектов освоения недр, повышении геодинамической безопасности освоения недр и земной поверхности в регионе. 2 ил.

Способ выбора параметров геодинамического полигона, включающий определение месторасположения геодинамически опасных объектов освоения недр в изучаемом районе, закладку опорных и рабочих пунктов, проведение маркшейдерских и геофизических измерений, отличающийся тем, что в местах расположения геодинамически опасных объектов освоения недр определяют мощность слоя земной коры Н, находящегося в предельно напряженном состоянии, с учетом значений H определяют размеры областей геодинамического влияния земной коры на объекты освоения недр и параметры геодинамического полигона выбирают с учетом суммарной площади взаимодействующих между собой этих областей.