А.Д. Сашурин, А.А. Панжин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Человека всегда подстерегают многочисленные опасности природного и техногенного характера, способные нарушить его уклад жизни, лишить имущества а, иногда, и самой жизни. Это сели, оползни, лавины, ураганы и землетрясения, засухи и наводнения, пожары, транспортные катастрофы и др. Одни из них связаны с природными процессами, другие порождены человеческой деятельностью. Причем доля последних заметно увеличивается.

В Государственном докладе о состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера за 1996 г. отмечается, что в последние годы имеет место тенденция постоянного роста количества чрезвычайных ситуаций, их последствия становятся все более масштабными и опасными. С января 1992 г. по июнь 1995 г. зарегистрировано около 4,5 тысяч чрезвычайных ситуаций, из них около 3,5 тысяч техногенного характера.

За катастрофами искусственного происхождения прочно закрепился термин "техногенные катастрофы" (techne (греч.) - мастерство, genes - рожденный) - т.е. катастрофы, вызванные производственной деятельностью.

Среди техногенных катастроф в последние десятилетия все увереннее заявляют о себе катастрофы, связанные с добычей и переработкой полезных ископаемых. В 1971 г. на Старогрозненском нефтяном месторождении в районе г. Грозного произошло землетрясение интенсивностью 7 баллов, которое по оценкам сейсмологов было спровоцировано разработкой нефтяной залежи [1]. Землетрясения силой 9-10 баллов в пределах газового месторождения и города Газли (1976, 1978 и 1984 гг.) были весьма неожиданными, потому что произошли в районе, который считался сейсмически безопасным.

В 1987 - 1988 гг. в Нефтеюганске, расположенном в асейсмичном районе Западной Сибири, отмечалось множество слабых толчков вызвавших появление трещин в домах. Сильные землетрясения сопровождали добычу нефти на Сахалине вблизи городов Нефтегорск и Оха (1995, 1996 г.). Наконец, сигналы опасности проявились при добыче твердых полезных ископаемых в виде мощных горных ударов на Североуральском бокситовом руднике и землетрясений на Южноуральском бокситовом руднике (1990 г.), Соликамском руднике (1995 г.), Высокогорском ГОКе (1997) и других рудниках России. По предварительной оценке в России имеется более десяти крупных горных предприятий, на которых добытая из карьеров горная масса и размещенные в отвалы породы в десятки раз превосходят критическую границу воздействия на литосферу, при которой возможно проявление техногенных землетрясений [2]. В Уральском регионе выделяются не менее 9 районов, в которых существует высокая вероятность проявления техногенных землетрясений.

Опасность техногенных землетрясений, вызванных добычей полезных ископаемых, усугубляется их проявлением в экономически освоенных районах с экологически опасными объектами. Особую озабоченность по этим факторам в Уральском регионе вызывает непосредственное соседство горных разработок крупнейшего комбината "Ураласбест" и Белоярской атомной электростанции [3]. По прогнозным оценкам сложившаяся ситуация перешагнула критический уровень воздействия, за которым может последовать техногенная катастрофа с вовлечением в нее атомного объекта.

В участившихся случаях природных и техногенных катастроф, сопровождаемых чрезвычайными ситуациями с тяжелыми последствиями, не всегда удается провести четкую грань между природными и техногенными причинами катастрофы. Еще труднее будет выявить различия между непродуманной техногенной деятельностью и преднамеренными действиями, направленными на искусственное провоцирование катастрофы. В то же время научная и публицистическая литература свидетельствуют, что вопрос управления процессами геодинамики как естественными, так и наведенными (техногенными) прорабатывается в разных аспектах. Возможность получения рычагов управления неограниченными энергиями порождает, наряду с прогрессивным стремлением укротить разрушительные силы, опасные замыслы использования их для достижения военно-стратегических, политических и иных целей [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Реализация этого направления таит в себе угрозу превращения управляемых техногенных катастроф в оружие массового поражения ХХI века, превосходящее по своей силе и масштабам все прототипы.

В этих условиях очевидно, насколько важно уметь обоснованно прогнозировать последствия техногенного воздействия на природу. Необходимо предвидеть, к чему приведет откачка нефти и газа, добыча открытым и подземным способом твердых полезных ископаемых, складирование в отвалы вскрышных пород и отходов переработки.

К сожалению, на начало проведения исследований по гранту изученность техногенных катастроф, вызванных добычей полезных ископаемых, находилась в зачаточном состоянии, хотя они в достаточной мере проявили себя, в том числе и трагическими последствиями. Монографии А. Шейдеггера, Т. Уолтхема, Т. Рикитаке, Р. Легетта и других много внимания уделяют описанию катастроф природного происхождения [10, 11, 12, 13]. Техногенные катастрофы, связанные с добычей полезных ископаемых, ограничиваются в них лишь провалами и п роседаниями земной поверхности над современными и старыми горными работами и носят описательный характер.

Впервые на масштабное воздействие горных разработок, нарушающее изостазию на участке земной коры, обратил внимание автор в восьмидесятые годы [14]. Рабочая версия поставленных исследований основывалась на идентичности деформаций, реализующихся при природных землетрясениях, и деформаций, вызванных горными разработками. Деформации при землетрясениях соответствуют разгрузившейся энергии. Деформации при разработке месторождений полезных ископаемых свидетельствуют о накоплении энергии, способной реализоваться либо в динамической форме в виде землетрясения техногенного происхождения, либо в форме криповых подвижек по разломам с выбросом на поверхность раскаленной плазмы (солитоновый выброс).

Анализ и обобщение результатов исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород позволили разработать геомеханическую модель участка литосферы, подверженного воздействию горных разработок (рис. 1) [2, 15]. В соответствии с глобальной тектоникой плит, литосферная плита в геомеханической модели представляется в виде оболочки конечной толщины и бесконечных размеров в плане, находящейся на вязком слое астеносферы. Горизонтальные размеры модели должны удовлетворять понятию оболочки, т. е. более чем в 20 раз превышать ее толщину.

Граничные условия геомеханической модели включают горизонтальные силы, состоящие из тектонических напряжений и бокового распора, и вес пород. Первый инвариант горизонтальных тектонических напряжений постоянен на всех глубинах и составляет -30.8 МПа [16]. Боковой распор пропорционален глубине.

В техногенной нагрузке участка литосферы выделяются зоны разгрузки, на которых происходит выемка горной массы или откачка подземных вод, и зоны нагрузки, где размещаются отходы горного производства (отвалы вскрышных пород, хвостохранилища и др.) (см. рис. 1).

Укрупненные расчеты, проведенные на основе известной задачи Буссенеска, показали, что при техногенных нагрузках (0,5-2,0)^.10⁹ т, соответствующих горнодобывающим предприятиям, вертикальные перемещения земной поверхности достигают, соответственно, 0,3-1,1 м и сопоставимы с величинами смещений, выявленных в районах мощных землетрясений. Следовательно, по модельным и теоретическим оценкам параметров смещения большинство средних и крупных горнодобывающих предприятий таят в себе опасность проявления техногенных землетрясений или подвижек по разломам.

На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования конкретной ситуации техногенного воздействия открытой разработки Баженовских месторождений асбеста комбинатом "Ураласбест". В качестве важнейшего фактора, определяющего степень риска возникновения очагов техногенных землетрясений, выступает неоднородность нагружения литосферной плиты. На участке разгрузки, соответствующем территории карьера, происходит воздымание массива и земной поверхности. На участке нагрузки, где размещаются вскрышные породы, происходит проседание. Величины воздымания и оседания примерно одинаковы и достигают 1 м. Техногенное моментное нагружение литосферы создает аномально высокий градиент вертикальных смещений на границе раздела между участками разгрузки и нагрузки, представляющей наиболее вероятную область возникновения, развития и проявления очагов техногенных землетрясений и подвижек.

Ситуация осложняется наличием в зоне влияния горных разработок экологически опасного объекта - Белоярской атомной электростанции. Проявление геодинамических событий на техногенном объекте может послужить причиной аварии на станции.

В первых экспериментальных исследованиях деформаций земной поверхности в области техногенного воздействия Соколовского карьера определялись повторным нивелированием геодезических пунктов триангуляции 2 - 3 классов. Между экспериментальными вертикальными смещениями и теоретическими расчетами наблюдалась хорошая согласованность. Однако из-за высокой трудоемкости традиционных геодезических методов эксперименты носили единичный постановочный характер. Создание в 1996 г. В ИГД УрО РАН при финансовой поддержке РФФИ Уральского центра геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых, оснащенного комплексом спутниковой геодезии GPS фирмы Trimble (США), принципиально изменило возможности изучения движений земной коры в районах добычи полезных ископаемых. Приемники 4600LS, которыми оборудован Уральский центр, и применяемые методики обеспечивают производительное определение координат с точностью ± 1-3 мм.

Экспериментальная проверка основных модельных положений техногенного участка литосферы с применением GPS проводилась на участке разработки Киембаевского асбестового месторождения в районе г.Ясного Оренбурской области в 1998 г. Исследуемый район имеет четкие параметры техногенного воздействия на литосферу, развитую государственную геодезическую сеть, оборудованную в 1960 г., и опорную маркшейдерскую сеть по контуру карьера, оборудованную в 1974 г. перед началом разработки месторождения (рис. 3). Определение современных координат 9 триангуляционных пунктов 2-4 классов, охватывающих внешнюю зону общей площадью 120 км², позволило получить их суммарные смещения и деформации исследуемой территории за 38 летний период с 1960 г. по 1998 г. Определение координат 11 пунктов триангуляции маркшейдерского обоснования 1 разряда, расположенных непосредственно по контуру карьера, дало суммарные смещения и деформации территории в зоне техногенного воздействия за 24 летний период с 1974 г. по 1998 г.

На всей территории наблюдались фоновые горизонтальные деформации сжатия, уровень которых составил от -1,7^.10^-3 до -4,7^.10^-3. Максимальные деформации сжатия тяготеют к северному и северо-восточным направлениям, изменяясь в пределах от -3,5^.10^-3 до -4,7^.10^-3. Минимальные деформации, также сжимающие, действуют в западном и юго-западном направлениях и имеет вдвое меньшее значение в пределах от -1,7^.10^-3 до -2,2^.10^-3.

Интересно отметить, что по статистической обработке результатов измеренных деформаций, произошедших при крупных землетрясениях, Т. Рикитаке дает средние значение разрушающих деформаций ε = 4,7 ± 1,9^.10^-3.

В горизонтальных фоновых смещениях преобладают смещения западного и северо-западного направлений величиной до 0,235 ÷ 0,319 м.

Все вертикальные фоновые смещения проявились в виде оседаний величиной до 0,314 м. В целом, у исследуемой территории наблюдается тенденция развития наклона на восток, величина которого за 38 лет достигла 3,4^.10^-3. Вертикальные смещения большинства пунктов маркшейдерского обоснования на контуре карьера зафиксированы также в виде оседаний, но максимальная величина их составляет лишь 0,142 м, что в 2,2 раза меньше максимальных фоновых смещений. Это следствие проявления эффекта нарушения изостазии в земной коре за счет выемки породных масс из карьера, вызывающей воздымание территории. На рис. 3 техногенные вертикальные смещения хорошо проявляются прогибом изолиний на восток.

Техногенные широтные горизонтальные смещения, также как и фоновые, направлены на северо-запад и имеют величины до 0,356 м.

Экспериментальные данные по величине и характеру распределения смещений хорошо согласуются с модельными теоретическими представлениями.

Таким образом, фундаментальные исследования природы техногенных катастроф, поставленные при поддержке РФФИ, позволили создать компьютерные модели геомеханических явлений, формирующих очаги техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых, провести испытания методики мониторинга их развития.

Из сравнительно небольшого начального объема проведенных фундаментальных исследований вытекает важный прикладной аспект этой проблемы - возможность воздействия на развитие ситуаций в районах добычи полезных ископаемых. Целью такого воздействия, как отмечалось выше, может быть и предотвращение катастрофических последствий добычи полезных ископаемых, и их провоцирование. По какому пути пойдет человечество - это уже не научная, а общественно - политическая проблема, решение которой непосильно ни региону, ни отдельному государству, а возможно лишь при условии привлечения к ней внимания широкой общественности и институтов, ответственных за выработку политики.

Выбор прогрессивного пути решения этой проблемы будет в значительной мере зависеть от уровня изученности происходящих явлений и доступности результатов исследований широкой общественности. Для его обеспечения необходимо:

1. Изучить природу техногенных катастроф, вызванных добычей полезных ископаемых.

2. Разработать методы предотвращения возникновения и развития очагов техногенных катастроф.

3. Придать результатам исследований гласность в обществе и выработать общественное согласие по вопросам использования явления техногенных катастроф.

4. Разработать эффективные методы мониторинга ситуации и контроля действий по направлению ее развития.

РФФИ, способствовавшему зарождению фундаментальных исследований природы явления, принадлежит важнейшая роль в выборе одного из этих двух альтернативных направлений проведения исследований.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Геомеханическая модель участка литосверы с техногенным объектом: 1 - область перераспределения напряжений вокруг выемок; 2 - область нарушения изостазии; 3 - зона разгрузки; 4 - зона пригрузки; 5 - геодезические пункты для мониторинга смещений комплексом спутниковой геодезии

Рис. 2. Компьютерное моделирование вертикальных смещений в районе добычи асбеста комбинатом "Ураласбест": 1 - горные работы Малышевского РУ; 2 - Рефтинское водохранилище; 3 - горные работы комбината "Ураласбест"; 4 - Белоярская атомная электростанция; 5 - Курмановский карьер; 6 - Белоярское водохранилище

Рис. 3. Вертикальные (изолинии, мм) и горизонтальные (вектора) смещения земной поверхности в районе разработки Киембаевского асбестового месторождения

Использованные источники:

1. Царев В.П., Повилейко Р.П. Внимание! Техногенные землетрясения //Наука и человечество. Международный ежегодник. -М.: Знание, 1990, с. 126-130

2. Sashourin A.D. Formation of centres of technogeneous catastrophes in areas of intense mineral mining //Mining in the Arctic. Proceedings international symposium. Swalbord, Norway. 1996 -Trondheim, 1996 -p. 201-206

3. Сашурин А.Д., Панжин А.А. Техногенное воздействие горных разработок и геодинамическая безопасность Белоярской атомной электростанции //Материалы X межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности (г. Екатеринбург, 6-7 октября 1997 г.). -Екатеринбург, УГГГА, 1997, с. 53-57

4. Плужников С. Землетрясением по противнику - пли! //Комс. правда. 1996. -19 апреля

5. Соколов С. Миллионотрясение. //Комс. правда. 1996. -13 июня

6. Соколов С. Тектоническое оружие: провокация, детский лепет или ...? // Ведомости. 1996. -25 апреля

7. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. -М.: Недра, 1993. -319с

8. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений землетрясениями //Доклады АН СССР, 1991, том 318, N2. -с. 320-324

9. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений подземными ядерными взрывами //Доклады АН СССР, 1991, том 319, N2. -с. 333-336

10. Шейдеггер А.Е. Физические аспекты природных катастроф. Пер. с англ. М.: Недра. 1981. -232с

11. Уолтхем Т. Катастрофы: неистовая Земля. Пер с англ. -А.: Недра, 1982. -223с

12. Рикитаке Т. Предсказание землятресений. Пер. с англ. -М.: Мир, 1979. -388с

13. Леггат Р. Города и геология. Пер. с англ. -М.: Мир, 1976. -559с

14. Сашурин А.Д. Явление изостазии при разработке месторождений полезных ископаемых //Приложение результатов исследований полей напряжений к решению задач горного дела и инженерной геологии. -Апатиты: Кольский филиал. АН СССР, 1985. -с. 27-31

15. Сашурин А.Д. Напряженно - деформированное состояние массива горных пород в районах добычи полезных ископаемых //Проблемы горного дела /ИГД УрО РАН. Сб. научных трудов. Екатеринбург, 1997. -с. 115-122

16. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. 268с

© 1998 Анатолий Д. Сашурин, Андрей А. Панжин