velikol.ru
1

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2002, том 72, № 11, с. 969-975

ПРОБЛЕМЫ

ЭКОЛОГИИ

Хозяйственная деятельность человека все в большей и большей мере влияет на облик нашей пла­неты. Авторы публикуемой статьи анализируют внутреннюю структуру техногенно измененных недр, которую они представляют как новый литосферный объект, возникающий при добыче полез­ных ископаемых. По их мнению, свойства этого объекта оказывают определяющее влияние на ха­рактер и интенсивность техногенных нагрузок на биоту Земли.

^ СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ НЕДР

К. Н. Трубецкой, Ю. П. Галченко, Н. Ф. Замесов, В. И. Куликов, В. Н. Родионов

Исходный биологический принцип существо­вания живой материи состоит в непрерывном по­глощении солнечного света. Этот процесс позво­ляет поддерживать и увеличивать упорядочен­ность на планете с помощью фотосинтеза. Солнечная энергия поступает только в опреде­ленном объеме, и за миллионы лет эволюции би­осфера приспособилась к использованию этого фиксированного количества.

На протяжении последних тысячелетий - а это лишь мгновение в истории биосферы - человек перестал довольствоваться поступающей на Зем­лю солнечной энергией и начал со все нарастаю­щей интенсивностью применять запасы низкоэн­тропийного материала (минерального топлива и сырья), которые, по сути, представляют собой лишь частицу энергии Солнца, полученной и за­консервированной в процессе развития планеты [1]. В отличие от прямой солнечной энергии, та­кие запасы можно использовать с любой интен­сивностью, необходимой в данный момент. Сего­дня минеральное сырье, извлекаемое из недр Земли, является основой существования техниче­ской цивилизации, дает исходные материалы и энергетическую базу для производства 70% сово­купной номенклатуры конечной продукции чело­веческого общества. Практически весь антропо­генный материальный мир функционирует за счет результатов прямого разрушения опреде­ленных участков литосферы и последующего по­требления полученного таким образом вещества.

ТРУБЕЦКОЙ Климент Николаевич - академик, ди­ректор Института проблем освоения недр РАН. ГАЛЧЕНКО Юрий Павлович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник. ЗАМЕСОВ Ни­колай Федорович - доктор технических наук, заведу­ющий лабораторией. КУЛИКОВ Владимир Ивано­вич - кандидат физико-математических наук, веду­щий научный сотрудник Института динамики геосферы РАН. РОДИОНОВ Владимир Николае­вич - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник.

Предельные масштабы техногенного измене­ния недр определяются способностью геофизиче­ских структур локализовать область техногенно­го воздействия и со временем включить ее в эво­люционный процесс окружающего породного массива. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с реше­нием фундаментальной научной проблемы гео­механики - исследованием влияния техногенных нагрузок на процессы в динамических структурах литосферы. Это предполагает, с одной стороны, раскрытие закономерностей изменения свойств природных объектов литосферы при техноген­ном вторжении в них, а с другой - определение ус­ловий, при которых постоянно воспроизводятся устойчивые динамические структуры и в то же время в литосфере не возникают природные ка­тастрофические явления. Первая задача, в свою очередь, распадается на две взаимосвязанные:

  1. разработать модель техногенно измененных недр;

  2. создать обобщенную модель процессов ант­ропогенного вторжения в литосферу.

Разработка модельных представлений о тех­ногенном изменении части литосферы при про­мышленном освоении ее минеральных ресурсов требует формирования геофизического образа литосферы как элемента планетарной геосисте­мы. Трансформируя в геофизику представления В.И. Вернадского о живой и косной материи, можно представить себе технологически доступ­ную сегодня часть литосферы как оболочку из "косной" материи, покрывающую "живое" тело нашей планеты [2]. Безусловно, в литосфере про­исходят динамические явления различного мас­штаба и мощности, но в рамках принимаемого на­ми допущения эти явления не инициированы ве­ществом литосферы, а представляют собой отражение динамических процессов в более глу­боких зонах планеты. Такое допущение тем бо­лее необходимо, что без него решение задачи о взаимодействии двух динамических систем (тех-

969

970 ТРУБЕЦКОЙ и др.



ногенно измененных недр и первичной литосфе­ры) приобрело бы излишнюю сложность по от­ношению к технологически обусловленной точ­ности определения конечных результатов.

Внешнее воздействие на окружающую среду нарушает состояние всех сфер Земли: литосфе­ры, гидросферы, атмосферы, биосферы, а также антропосферы (сферы интересов человека). Наи­более масштабным количественным и качествен­ным изменениям подвергается литосфера, часть которой извлекается на поверхность и включает­ся в оборот вещества и энергии уже вне внутренне равновесной системы. Для создания модельного представления о техногенно измененных недрах можно воспользоваться терминами и понятиями теоретической экологии, трансформированными для конкретных условий.

Задачи биологической экологии обычно дву­мерны. Задачи же геоэкологии в пределах лито­сферы всегда трехмерны. По аналогии со струк­турой зон техногенного поражения биоты в со­став зоны геоэкологических изменений входят участки полного нарушения первоначального со­стояния участка (объема) литосферы, вплоть до его изъятия из ее состава. Это объем техногенно­го поражения литосферы. Вокруг такого объема формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет агрегатное со­стояние, но меняет механические свойства. Раз­меры и форма этого пространства определяются естественными характеристиками отрабатывае­мого участка литосферы, интенсивностью, фор­мой и характером техногенных преобразований в нем, а также способом разрушения массивов гор­ных пород с целью извлечения полезных ископа­емых.

Трансформируя для подобных условий класси­ческую триаду экологии (загрязнение - транзит­ная среда - депонирующая среда), можно предло­жить следующую схему: разрушение некоторого объема первично равновесной литосферы приво­дит к искажению геофизических полей ("загряз-

нение"); через транзитную среду (поле тяготения Земли) это "загрязнение" передается в нетрону­тые участки литосферы и приводит их в новое на­пряженно-деформированное состояние (депони­руется в них). Принятие такой схемы взаимодей­ствия означает наличие внешней границы, где загрязнение депонируется элементами первичной системы [3]. Техногенно измененные недра пред­стают тогда как некий объем, окруженный нетро­нутой литосферой, внутри которого находятся зо­на техногенного разрушения и зона спровоциро­ванного разрушением изменения напряженно-деформированного состояния пород.

Для построения модельного представления о зоне полного разрушения литосферы (объем, ос­тавшийся после выемки полезного ископаемого) можно воспользоваться известной моделью дви­жения плотностных неоднородностей в твердой среде в гравитационном поле Земли, представив процесс извлечения части литосферы как разви­тие и движение неоднородностей с нулевой плот­ностью. Так как понятие "техногенно измененные недра" включает в себя также участки литосфе­ры, затронутые сопутствующими изменениями при сохранении плотности горных массивов, то принципиальное значение приобретает вопрос о внешней границе этих сопутствующих изменений состояния, то есть о границах нового техногенно­го литосферного объекта.

Задача о переходах между двумя системами с различными свойствами тоже рассматривается в теоретической экологии, где сформулировано понятие экотона - зоны перехода между различ­ными биологическими сообществами, в которой проявляются их встречные влияния [3]. Как вид­но из рисунка 1, экотон представляет собой поло­су на поверхности, в пределах которой свойства контактирующих систем вырождаются до нуля. Закон вырождения свойств в каждом конкретном случае определяется свойствами систем и харак­тером их взаимодействия. Такая модель доста­точно адекватно описывает процессы взаимодей­ствия техногенно измененных недр с невозму­щенной литосферой. Она трехмерна: техногенно измененные недра предстают в виде замкнутого объемного литосферного объекта, ограниченно­го в пространстве двумя условными поверхностя­ми "нулевого" влияния контактирующих систем, на внутренней поверхности не проявляется влия­ние невозмущенной литосферы, а на внешней -техногенно измененных недр (рис. 2).

Для определения основных параметров изучае­мого литосферного объекта необходимо дать представление об основном объекте геомеханики -породном массиве в трех его состояниях: в невоз­мущенной литосфере; в зоне прямого техноген­ного воздействия; в зоне искажения геофизичес­ких полей (зона перехода свойств - экотон).

^ ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72 №11 2002

СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ НЕДР 971



Предлагаемая нами механическая модель не­возмущенной литосферы построена на основе сложившихся представлений о физической моде­ли твердого тела и о физических постулатах ме­ханических моделей. В соответствии с ними твер­дое тело - некоторая идеальная сплошная среда, деформации которой под действием внешних сил полностью обратимы, если только внутренние напряжения не превышают предельных значе­ний, характеризующих прочность данного тела. Вместе с тем в твердом теле равномерно по объ­ему рассеяны разномасштабные неоднородности, причем расстояния между такими включениями много больше их собственного размера. Неодно­родности ответственны за необратимые дефор­мации, поскольку на них напряжения концентри­руются и со временем релаксируют. Будем пола­гать этот механизм диссипации механической энергии в твердом теле единственным.

При любой заданной скорости деформации диссипация энергии деформирования осуществ­ляется неоднородностями только одного размера (точнее - в узком интервале размеров), так как на более мелких неоднородностях напряжения быс­тро релаксируют, а на крупных - не успевают ре-лаксировать.

Объем, занимаемый неоднородностями одно­го размера, составляет малую долю объема тела. Если размер неоднородности равен /, а число не-однородностей в единице объема п, то объем не-однородностей в интервале d{ln) будет равен:



где Q - добротность твердого тела, определяемая по затуханию упругих колебаний [4, 5].

Приведенная формула не включает данных о характерных размерах, поэтому объемы тел раз­ной величины по заселенности неоднородностя­ми подобны. Однако по механическим свойствам они подобны только тогда, когда размеры неод-нородностей пропорциональны размеру тела. Все неоднородности равноправны: в интервале, про­порциональном размеру неоднородности (dial = = dl/l), объем неоднородностей каждого размера одинаков.

Так как неоднородности каждого размера за­нимают малую долю объема, то деформации твердого тела можно характеризовать только ус­редненными по пространству величинами. Что касается напряжений, то их неравномерное рас­пределение внутри твердого тела качественно от­личает предлагаемую модель, и поэтому они должны быть рассмотрены подробнее.

Напряжения внутри твердого тела складываются из двух компонентов: упругих напряжений,

вызванных изменением объема или обратимыми

искажениями формы однородной среды, и ло-



кальных напряжении на неоднородностях, кото­рые ответственны за необратимые деформации в твердом теле. Используя тот или иной закон рас­пределения неоднородностей в твердом теле, можно перейти от локальных напряжений к сред­ним значениям в любом сечении. Эти средние значения, связанные с концентрацией напряже­ний на неоднородностях, будем называть неупру­гими напряжениями. Упругие напряжения для од­нородного материала обычно связывают с обра­тимыми деформациями линейной зависимостью (закон Гука), хотя можно использовать для этого и более общие нелинейные зависимости. Что ка­сается избыточных напряжений на неоднородно­стях (или их эквивалента - неупругих напряже­ний), то они возникают лишь при конечной ско­рости деформирования твердого тела и со временем самопроизвольно релаксируют.

Уравнение для избыточных (над упругим уровнем) напряжений на неоднородностях может быть представлено, например, в следующем виде:

^ ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72 №11 2002

972 ТРУБЕЦКОЙ и др.



тают свойства, сходные со свойствами вязкой жидкости. Переход в квазижидкое состояние не определяется изменением состояния вещества на молекулярном уровне, а потому менее энерго­емок. Сопротивление относительному перемеще­нию масс в твердой среде падает на порядок.

Если увеличить скорость деформации тела, находящегося в квазижидком состоянии, то в нем появятся неоднородности, на которых напряже­ния не будут успевать релаксировать, и после по­явления трещин среда начнет терять свою сплош­ность: произойдет дезинтеграция твердого тела. Подобное предельное состояние возникает, когда одна часть тела смещается относительно другой со скоростью ~10 см/год (эта оценка получена для горных пород в земной коре). Смещение с пре­дельной скоростью ведет к образованию разло­мов и формированию блочной структуры.

Блочное строение земной коры придает ей по­движность и снижает неупругие напряжения вну­три блоков. Деформация коры за счет смещения блоков относительно друг друга создает условия для возникновения локальных высоконапряжен­ных областей. Такие воспроизводимые области -реакция на перемещение блоков. В остальном внутриблоковом пространстве, как правило, име­ет место статическое равновесие и механические свойства стабильны [4].

Состояние породного массива в зоне прямого техногенного воздействия определяется особен­ностями процессов извлечения полезных ископа­емых, то есть набором необходимых для этого не­избежных действий. Если отвлечься от частнос­тей, то для осуществления главной целевой функции добычи минерального сырья - включе­ния части ресурсов литосферы в оборот вещества и энергии техносферы - необходимо обеспечить: доступ с земной поверхности к месту залегания полезного компонента, придать этому компонен­ту подвижность и выдать его на поверхность Зем­ли. Это три обязательных этапа обобщенной функциональной модели техногенного измене­ния недр при добыче минерального сырья.

При строительстве подземных сооружений, когда полезным компонентом является пустота (создаваемые полости), схема остается в принци­пе такой же, но на втором этапе подвижность придается не полезному компоненту, а материалу литосферы, заполняющему будущую полезную полость. Тот же материал выдается на поверх­ность на третьем этапе.

В рамках функциональной модели добычи по­лезных ископаемых не существует качественных различий между открытым и подземным спосо­бом разработки месторождений. Разница между ними заключается только в величине соотноше­ния размеров горизонтального сечения вырабо­ток доступа (5Д) и отрабатываемого участка лито-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72

№ 11

2002




^ СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ НЕДР
Новое для вещества литосферы свойство - по­движность - может быть обеспечено в рамках применяемых геотехнологий либо дезинтеграци­ей этого вещества в заданном объеме (большая часть твердых полезных ископаемых), либо изме­нением его агрегатного состояния (например, вы­плавка серы), либо путем создания условий для миграции полезного компонента - физических (нефть, газ, вода, тепло) или химических (выще­лачивание металлов на месте залегания).

Применительно к первому случаю все много­образие технических и технологических реше­ний, используемых при освоении месторождений твердого минерального сырья, можно объеди­нить в несколько групп, каждая из которых по-своему влияет на изменение свойств природных объектов литосферы, характеризуется опреде­ленными геомеханическими параметрами, дина­микой и масштабами последствий техногенного вторжения в литосферу.

Для каждой из групп характерны свои, только ей присущие способы техногенного изменения свойств участков литосферы и специфические последствия, проявляющиеся при восстановле­нии равновесия в техногенно измененных участ­ках недр после завершения процессов добычи по­лезных ископаемых. Характерные особенности каждой группы могут быть с успехом использова­ны для разработки обобщенных моделей техно­генного вторжения в природные объекты лито­сферы, прогноза последствий такого вторжения и механизма воспроизводства устойчивых динами­ческих структур окружающей среды после завер­шения вторжения.

^ К первой группе относятся технические и тех­нологические решения, связанные с образовани­ем полостей различной конфигурации в недрах литосферы, которые обладают природной спо­собностью противостоять возмущению исходного поля напряжений, вызванному появлением полос­тей. Возникающие на контуре выработок напря­жения и деформации со временем релаксируют без сколько-нибудь заметного влияния на окру­жающий массив. Время существования таких вы­работок может исчисляться столетиями, и они не вызывают существенных изменений в окружаю­щих их природных объектах (образованиях) ли­тосферы.

Сюда относятся выработки различного назна­чения при подземном строительстве, очистные выработки при добыче штучного камня, камен­ной соли, руд черных и цветных металлов, осо­бенно при разработке месторождений под дном морей и водоемов, когда несущие целики рассчи­тываются на длительную прочность с большим

973

запасом. Этот способ выемки характеризуется низким (около 30-40%) извлечением полезного ископаемого; основная масса запасов месторож­дения при этом сосредоточена в целиках.

Развитие возмущений в литосфере при таком способе техногенного воздействия ограничивает­ся поверхностными изменениями на контуре вы­работок и оставленных несущих опор, а вся кар­тина перераспределения напряжений исходного поля охватывает незначительную часть массива, непосредственно прилегающую к выработанно­му пространству. Поведение таких выработок хо­рошо описывается классическими задачами тео­рии упругости. Характерной особенностью от­крытого способа разработки является то, что в соответствии с принятым порядком работ полез­ное ископаемое изымается только после того, как вынуты все налегающие породы, в которых могли бы произойти изменения геофизических свойств. Поэтому описанная выше общая модель техногенно измененных недр принимает вид, в котором зона полного разрушения и техногенно­го изъятия материала литосферы целиком погло­щает зону изменения физических свойств, и в со­став техногенно измененных недр входят только собственно объем карьера и прилегающая к его внешним контурам зона перехода геофизических свойств.

^ Ко второй группе относятся наиболее распро­страненные в угольной промышленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химиче­ской промышленности технологии добычи мине­рального сырья с обрушением налегающей толщи пород. Различные модификации данного способа разработки применяются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы, на­чиная с поверхности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основная отличитель­ная черта этих технологий - обязательное обру­шение налегающей толщи пород вслед за выем­кой полезного ископаемого. Отработка место­рождения осуществляется планомерно сверху вниз при выемке крутопадающих либо наклонно-падающих рудных тел (пластов) от центра к флангам или от одного фланга к другому при вы­емке пологих залежей (пластов).

В результате по мере отработки месторожде­ния происходят заполнение выработанного прост­ранства обрушенными вмещающими породами, развитие зон неупругих перемещений за зоной непосредственного разрыхления пород и образо­вание мульды сдвижения пород на поверхности. Эти процессы развиваются параллельно с отра­боткой месторождения, после чего происходят постепенное затухание необратимых деформа­ций во вмещающих породах и уплотнение обру­шенных пород внутри мульды сдвижения. В слу­чае, когда осуществляется разработка месторож­дения в очень прочных, жестких породах (Е = 1 х


^ ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

том 72 № 11 2002

974 ТРУБЕЦКОЙ и др.





обрушением основной массы налегающих пород, образуется зависающая консоль монолитных по­род висячего бока, которая затем может мгновен­но сдвинуться в сторону выработанного простран­ства, генерируя сейсмические колебания большой энергии, соизмеримые с природным землетрясе­нием (Апатиты, Таштагол).

При выемке пластовых месторождений фор­мирование мульды сдвижения и ее параметров происходит аналогичным образом; этот меха­низм хорошо изучен для отдельных горных реги­онов (Донбасс, Кузбасс, Печорский угольный бассейн).

В целом модель техногенного вторжения та­кого рода может рассматриваться как объем оп­ределенных размеров, изменение которого со­провождается необратимыми процессами в ближней зоне и последующим ее уплотнением за счет распространения неупругого расширения (разрушения) пород вглубь массива. Границы зо­ны техногенного изменения пород литосферы оп­ределяются условием достижения равновесия между величиной реакции бокового распора не­тронутого массива и отпором, создаваемым обру­шенными и уплотненными породами зоны обру­шения.

^ Третья группа технологий разработки место­рождений минерального сырья связана с запол­нением выработанного пространства искусствен­но получаемым материалом с определенными прочностными и деформационными свойствами. Иногда для уменьшения величины деформаций налегающей толщи пород и сокращения затрат на создание искусственного материала в вырабо­танном пространстве оставляют регулярные вер­тикальные целики, работающие за пределом прочности. Размещенные в массиве закладки, они выполняют роль арматуры, изменяя деформаци­онные свойства материала, заполняющего выра­ботанное пространство.

Аналогичным образом происходит деформи­рование вмещающих пород при разработке неф­тяных и газовых месторождений, когда по мере выработки нефти и газа снижается противодейст­вие давлению налегающих пород, и они плавно оседают над продуктивной толщей на величину, соизмеримую с изъятым объемом. Таким обра­зом, третья модель техногенного вторжения в ли­тосферу характеризуется тем, что материал ли­тосферы замещается техногенным материалом с известными (заданными) прочностными и дефор­мационными свойствами, которые определяют масштабы переходной зоны, формирующей тех-ногенно измененные недра как новый литосфер-ный объект. По характеру релаксационных про­цессов эта модель занимает промежуточное по­ложение между двумя представленными выше.

Для описания состояния породного массива в зоне перехода свойств (геофизический экотон) от невозмущенной литосферы к зоне прямого тех­ногенного воздействия целесообразно использо­вать статическую модель деформирования твер­дого тела со структурой при создании в нем поло­сти путем постепенной выемки материала. Пусть в твердой среде, нагруженной на бесконечности давлением Р, создается сферическая полость пу­тем постепенной выемки материала, как это обычно бывает при проходке подземной выра­ботки. Примем для простоты, что давление Рх на контуре будущей полости радиуса r = r0 спадает по линейному закону:





где Т - время спада давления (характерное время выемки полости).

Из приведенного выше общего качественного анализа поведения твердого тела с неоднороднос-тями следует, что рассматриваемая задача долж­на распадаться на две, соответствующие разным временным интервалам.

На первом этапе - по мере спада давления в окружающей полость среде - помимо упругих, появляются неупругие напряжения как результат концентрации напряжений на неоднородностях. Эти напряжения достигнут наибольших значе­ний, когда деформирование среды, вызванное спадом давления, закончится.

На втором этапе после снижения давления в полости до нуля перестройка напряжений и де­формаций в среде задается релаксацией избыточ­ных неупругих напряжений, накопленных на не­однородностях. По мере релаксации избыточных напряжений полные напряжения должны стре­миться к значениям, которые следуют из реше­ния подобной задачи для идеально упругой среды.

Полная система уравнений, используемая для решения поставленной задачи, в случае сфериче­ской симметрии имеет вид:


ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72 №11

2002

СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ НЕДР 975



ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 72 №11 2002