Способ геодинамического районирования участка земной коры

 

Использование: при проектировании, строительстве и эксплуатации различных объектов для учета геодинамических особенностей состояния массива горных пород. Сущность изобретения: на выбранном участке земной коры проводят геолого-геофизические исследования, тектонофизические измерения, определяют физико-механические свойства горных пород, дополнительно измеряют в выделенных блоках величину максимального горизонтального сжатия в коренных породах и величину прочности пород на одноосное сжатие. Сравнивают полученные величины с теоретически рассчитанными, устанавливают тип участка земной коры, измеряют выраженную в рельефе исследуемого участка амплитуду разломов и угол, образуемый ими с площадками максимальных касательных и нормальных напряжений, по величинам которых определяют категорию активности разломов, определяют фазу развития разломов, по которой оценивают степень их нестабильности и по полученным данным районируют участок земной коры. 1 ил.

Изобретение относится к способам освоения недр и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации различных объектов освоения недр (горнодобывающие предприятия, железные дороги, трубопроводы, гражданские и промышленные здания и сооружения и др.).

Известен способ геодинамического районирования месторождений полезных ископаемых, который заключается в том, что для месторождения устанавливают блочную структуру массива, оценивают динамическое взаимодействие блоков и их напряженное состояние и с учетом этого судят о геодинамическом состоянии массива пород, применяют меры по профилактике горных ударов. Например, горнокапитальные выработки в пределах блока ориентируют вдоль оси максимального сжатия, стволы выносят за зоны влияния разломов в центральные части блоков и др. /1/.

Недостатком известного способа является ограниченная область применения, а также недостаточно высокая полнота получаемых данных о геодинамическом состоянии массива, что приводит к недостаточной или излишней жесткости применяемых мер по профилактике горных ударов.

Наиболее близким (прототипом) по технической сущности к предлагаемому способу является способ геодинамического районирования недр, сущность которого заключается в том, что для осваиваемого района устанавливают блочную структуру, определяют характер отражения границ блоков в геологическом строении массива, оценивают динамическое взаимодействие блоков и их напряженное состояние и с учетом этого судят о геодинамическом состоянии массива пород, применяют меры по безопасному и эффективному освоению недр /2/.

Однако при этом не учитывается ряд геодинамических особенностей различных частей массива, например, тип участка по его тектонофизическому и напряженному состоянию, различная степень активности разломов, возможность активизации не только прорастающих, формирующихся разломов, но и уже существующих в массиве, что приводит к завышенной или заниженной оценке геодинамического состояния массива и недостаточной или излишней жесткости применяемых мер по безопасному и эффективному освоению недр.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение полноты получаемой информации о геодинамическом состоянии массива пород и обеспечение более полной обоснованности комплекса применяемых мер по безопасному экономически эффективному и экологически чистому освоению недр.

Указанный результат достигается тем, что устанавливают тип (класс) данного участка земной коры по его тектонофизическому и напряженному состоянию, оценивают напряжения в каждом блоке горного массива с учетом установленного типа участка земной коры, оценивают категорию активности блоков и разделяющих их разломов с учетом типа участка и напряженного состояния блоков, определяют степень нестабильности блочной структуры участка путем измерения угла между сформированными и формулирующимися разломами, на основании чего судят о геодинамическом состоянии участков (блоков) земной коры и определяют круг мер, необходимых для безопасного, экономически эффективного и экологически чистого освоения недр.

Способ осуществляется следующим образом.

С использованием топокарт различных масштабов, геологических, геофизических, геоморфологических и других материалов производят выделение блочной структуры конкретного участка земной коры. Тип (класс) данного участка земной коры, включающего выделенные блоки по его тектонофизическому и напряженному состоянию устанавливают на основе результатов измерений напряжений в блоках оценки физико-механических свойств пород, наблюдаемой техногенной или естественной сейсмичности (таблица 1).

Оценку напряжений в каждом блоке горного массива производят с помощью тектонофизических и расчетных методов /2/, используя при этом при определении граничных условий для расчетов полученный тип участка по его тектонофизическому и напряженному состоянию в соответствии с обозначаемой им геомеханической ситуацией.

Категорию активности блоков и разломов оценивают на основе установления выраженности их в современном рельефе, положения относительно осей главных напряжений, регистрируемой сейсмичности, типа (класса) участка по его тектонофизическому и напряженному состоянию, например, с помощью таблицы 2.

Степень нестабильности блочной структуры массива устанавливают, например, на основе фазы развития активных разломов (таблица 3).

С учетом данных, полученных при указанных выше действиях, судят о геодинамическом состоянии участков (блоков) земных недр, имея в виду размеры блоков разных рангов, их взаимодействие (сжатие, растяжение, сдвиг), характер и степень активности разломов, наличие тектонически нагруженных и разгруженных участков, взаимосвязь активных разломов с геологическим строением массива и др. определяя при этом круг мер, необходимых для безопасного, экономически эффективного и экологически чистого освоения недр.

Реализация предлагаемого способа возможна на основании того, что неоднородности геодинамического состояния земной коры, создаваемые в результате современной геодинамической активизации и оказывающие влияние на результаты человеческой деятельности, могут быть расшифрованы и учтены при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов освоения недр в различных областях промышленности, транспорта, сельского хозяйства.

Отражением тектонических процессов является деление земной коры на блоки различных размеров, которые испытывают разный темп движения и находятся в сложном напряженном состоянии. Активизация границ блоков активных разломов, формирование тектонически напряженных и разгруженных зон непосредственно влияют на инженерные объекты. Так, при ведении горных работ в местах тектонически напряженных зон возникает опасность проявления динамических явлений, к участкам пересечения активными разломами протяженных линейных (железных дорог), трубопроводов) сооружений тяготеют места аварий, в пределах городской застройки над разломами наблюдаются деформации зданий и сооружений, в тектонических разгруженных участках блоков возникают благоприятные условия для разработки нефтяных залежей и пр. Таким образом, в результате современной тектонической активизации создаются различные типы участков земной коры по их тектоническому и напряженному состоянию.

Как известно, земная кора испытывает воздействие планетарных, гравитационных и тектонических сил, в результате чего создается ее напряженное состояние.

Если рассматривать земную кору как систему, т.е. в целом, то можно предположить, что она находится в предельном напряженном состоянии. В то же время ее отдельные участки могут иметь разные виды механического и напряженного состояния, сильно отличающиеся друг от друга по интенсивности (величине) главных напряжений.

Внутри этих участков, конечно, могут существовать и более мелкие зоны с разным напряженным состоянием, но напряжения в них уже могут оцениваться методами расчета, учитывающими блочную структуру горного массива, например, в пределах месторождения полезных ископаемых или других объектов освоения недр.

Выделение типовых участков (таблица 1) производится по ряду показателей.

По имеющимся результатам измерения напряжений (например, на одном из горизонтов шахты).

Если максимальное горизонтальное напряжение меньше вертикального (равного γн), то возможны два случая: боковой отпор равен вычисленному по А. Н.Диннику ((μ/1-μ).) тогда это участок I типа; боковой отпор превышает вычисленный по А.Н.Диннику тогда это участок II типа.

Если максимальное горизонтальное напряжение больше вертикального (γн), то возможны также два случая: максимальное горизонтальное напряжение вблизи земной поверхности исходя из величины максимального горизонтального напряжения, установленного для какого-то горизонта (например, шахты) меньше, чем прочность пород на сжатие (с учетом коэффициента структурного ослабления), то это участок II типа; максимальное горизонтальное напряжение вблизи земной поверхности больше, чем указанная прочность горных пород, то это участок III или IV типа, т.к. породный массив на нем пришел в предельно напряженное состояние.

Дополнительным признаком для разделения участков III и IV типов является естественная или техногенная сейсмическая активность участка. Чем выше эта активность, тем, следовательно, глубже распространяется зона пород, перешедших в предельно напряженное состояние. Участкам IV типа характерна повышенная сейсмическая активность и проявление крупных и глубокофокусных землетрясений.

С учетом оказанного наиболее полно напряжения в каждом блоке могут быть оценены только с учетом типа напряженного состояния участка коры.

Различная активность блоков и разделяющих их разломов возникает вследствие неоднородности свойств пород в блоках и их напряженного состояния. Наиболее активными будут разломы, благоприятно ориентированные относительно осей главных напряжений. Например, разломы, ориентированные вдоль площадок τmax будут иметь в среднем наибольший темп движений крыльев, вдоль разломов, ориентированных перпендикулярно максимальному сжимающему напряжению будут формироваться наиболее контрастные тектонически напряженные и разгруженные зоны на неровностях смесителей и др.

Следствием глобальных изменений в тектоническом режиме Земли является нестабильность блочной структуры земной коры, которая заключается в изменении во времени ориентировки активных тектонических разломов. В связи с этим геодинамическое состояние при стабильной и нестабильной блочной структуре будет существенно различаться. Так, при стабильной структуре прорастающие разломы отсутствуют и в геомеханических расчетах следует учитывать только зоны известных дизъюнктивов. В районах с нестабильной блочной структурой между фрагментами прорастающих разломов будут создаваться тектонически напряженные зоны и по мере прорастания разломов активизации будут подвергаться не только дизъюнктивы различной ориентировки, но и геологически "спокойные" зоны.

Например при ведении горных работ на Таштагольском руднике происходят горные удары. Данный район расположен в области с высоким уровнем напряжений и относится к IV типу по напряженному состоянию. Оценка напряженного состояния массива показала, что в районе ведения горных работ создаются тектонически напряженные зоны из-за влияния растущего Северо-Таштагольского разлома обладающего высокой активностью по 1,2,3,5 признакам (табл.2). Степень нестабильности района оценена как вторая (табл.3). В соответствии с оцененным геодинамическим состоянием массива определен круг мер по безопасному, экономически эффективному и экологически чистому освоению месторождения, включающего рекомендации по ведению горных работ у дизъюнктивов, параллельных Северо-Таштагольскому разлому, в тектонически напряженных зонах, а также предусматривающие исключение варианта отвода реки Кондомы в новое русло. В качестве еще одного примера приведем результаты геодинамического районирования Чутырско-Киенгопского месторождения нефти в Удмуртии. Установлено, что месторождение разделено на ряд тектонических блоков 1, разделенными разломами 2 (см.чертеж). Тектонофизический анализ показал, что данный участок земной коры имеет III тип. С учетом типа данного участка массива по тектонофизическим условиям (III) и расположения разломов оценено напряженное состояние блоков. Наиболее активными в пределах месторождения являются разломы 3 и 4. Месторождение приурочено к одному из них разлому 4, разделяющему два блока, из которых блок 5 является активным. Величины максимальных напряжений выражены в долях γн и изображены с помощью изолиний 6. Анализ геотектонической ситуации показал, что месторождение расположено в относительно стабильном районе, поэтому локализация максимумов 7 и минимумов 8 напряжений (соответственно тектонически напряженных и разгруженных зон) остается стабильной в пространстве и времени. С учетом установленных особенностей блоков, в которых расположено Чутырско-Киенгопское месторождение, сделан вывод о влиянии современных геомеханических процессов на условия накопления и фильтрации флюидов в массиве. В частности, к тектонически разгруженным зонам приурочены максимумы проницаемости массива. Именно в таких местах наблюдаются повышенные дебиты эксплуатационных скважин. В тектонических напряженных зонах для повышения дебитов скважин необходимо применять стимулирующие нефтеотдачу методы, например, щелевую разгрузку.

Таким образом, комплексное определение и учет перечисленных выше геодинамических характеристик массива позволяет повысить эффективность освоения недр, снизить экологическую нагрузку на район месторождения за счет избирательного расположения и дальнейшей эксплуатации скважин.

Формула изобретения

Способ геодинамического районирования участка земной коры, включающий проведение геолого-геофизических исследований, тектоно-физических измерений, определение физико-механических свойств пород, выделение по результатам измерений блочной структуры исследуемого участка, определение характеристик напряженного состояния выделенных блоков и величин их динамического взаимодействия и проведение по ним геодинамического районирования участка земной коры, отличающийся тем, что в выделенных блоках дополнительно измеряют величину максимального горизонтального сжатия в коренных породах и величину прочности пород на одноосное сжатие, сравнивают полученные величины с теоретически рассчитанными "гравитационными" напряжениями, устанавливают тип участка земной коры, измеряют выраженную в рельефе исследуемого участка амплитуду разломов и угол, образуемый ими с площадками максимальных касательных и нормальных напряжений, по величинам которых определяют категорию активности разломов, определяют фазу развития разломов, по которой оценивают степень их нестабильности, и по типу участка земной коры, активности разломов и степени их нестабильности районируют участок земной коры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3