Способ выявления сейсмически опасного горного массива

 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для выявления потенциальных очагов мелкофокусных поверхностных землетрясений на площадках предполагаемого строительства или в населенных пунктах. Задачей изобретения является обеспечение точности и достоверности определения сейсмически опасных горных массивов. Для этого уровень сейсмической опасности определяют по степени саморазрушения скальных горных пород в процессе бурения колонковым способом. Бурение осуществляют на глубину 200-220 м. Факт хрупкого саморазрушения устанавливают по разрушению крена на мелкие обломки менее диаметра керна и/или на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм. При этом степень разрушения определяют по приведенной математической зависимости. Достоверное определение очага землетрясения открывает возможность его нейтрализации.

Изобретение относится к области сейсмологии, а конкретно, к способам выявления потенциальных источников (очагов) мелкофокусных землетрясений и может быть использовано при выборе участков для застройки, а также при сейсмическом районировании с целью определения регионов, подверженных сильным и катастрофическим землетрясениям.

Уровень техники в данной области представлен способами, непосредственно не предназначенными для выявления потенциальных очагов землетрясения. Однако они позволяют выявить напряженные горные массивы, на которых могут наблюдаться землетрясения или горные удары. Поскольку по представлениям автора землетрясения и горные удары имеют одинаковый источник энергии и механизм действия, нижеприведенные способы рассмотрены как аналоги заявляемому способу.

Известен способ кратковременного прогноза сильных землетрясений, включающий выявление потенциальных сейсмически опасных зон путем наблюдения за показателями сейсмической опасности (см. авторское свидетельство СССР N 1434378, G 01 V 1/00, от 30.10.88).

Известный способ используется для краткосрочного прогноза времени и энергии землетрясений в радиусе до 250 км от центра куста сейсмических станций. Способ основан на измерении времени привода P- и S-волн от сейсмически опасной зоны, месторасположение которой определяют по координатам очагов, происходящих в ней слабых землетрясений. Однако проявление слабой сейсмической активности не всегда предшествует сильным и катастрофическим землетрясениям. Очаги слабых землетрясений часто бывают распределены на большой площади. Выявление сейсмически опасных зон по неустойчивому состоянию среды требует длительного времени наблюдения за слабыми землетрясениями, т.е. возможно лишь тогда, когда опасность сильного землетрясения может стать реальностью. В силу этого достоверность месторасположения сейсмически опасных зон и точность определения времени предстоящего события оказывается недостаточными, что ограничивает применение известного метода.

Известен способ определения направления действия главных напряжений в массиве горных пород, включающий регистрацию параметров, свидетельствующих о напряженном состоянии (см. авторское свидетельство СССР N 1413243, МКИ E 21 C 39/00, опубл. 30.07.88). Способ позволяет выявить наличие и направление действия главных напряжений в массиве по возбуждению и регистрации в нем упругих сейсмических волн, поскольку выявление наличия и направления действия главных горизонтальных тектонических напряжений используется в прогнозе землетрясений. Однако определение месторасположения главных напряжений не позволяет достоверно определить: способен ли горный массив вызвать сильное или катастрофическое землетрясение.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ выявления сейсмически опасного горного массива, включающий керновое бурение скважин, извлечение керна и оценку характера разрушения кернов скальных пород (см. Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, подверженных горным ударам, Ленинград, ВНИМИ, 1988, с. 62-64).

Известный способ применяется для определения удароопасности участков горного массива в горных выработках и ограничен по применению горными выработками (шахтами), поскольку номограммы, используемые для определения категорий удароопасности, построены с учетом высоты горной выработки. При определении степени удароопасности горных пород учитывается лишь количество выпукло-вогнутых дисков толщиной 1-2 см в метровом интервале скважины и не учитываются вообще интервалы, где керн разрушен до щебня или дресвы. Интервалы с выходом керна менее 50% бракуются. А это не позволяет методически точно и достоверно установить степень сейсмической опасности горного массива как потенциального очага сильного или катастрофического землетрясения. Оценка удароопасности пород по количеству выпукло-вогнутых дисков позволяет определять лишь очаги высокого горного давления, способного проявиться как весьма слабые локальные землетрясения - горные удары. Интервалы, где керн был полностью разрушен на щебень, дресву или песок при бурении в скальных породах, характеризуются наибольшей напряженностью. Указанные перенапряженные породы являются источником энергии не только потенциальных горных ударов, но и землетрясений, в первую очередь сильных и катастрофических. В совокупности перенапряженные горные породы, способные к хрупкому саморазрушению, слагают горный массив, представляющий потенциальную сейсмическую опасность как возможный очаг сильного или катастрофического землетрясения. Ввиду близости к заявленному по совокупности основных операций известный способ взят в качестве прототипа заявленному.

Предлагаемый способ предназначен для выявления сейсмически опасных горных массивов, способных вызвать мелкофокусные (поверхностные) землетрясения, технический результат, достигаемый при этом, заключается в обеспечении точности и достоверности определения таких массивов.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе выявления сейсмически опасного горного массива, включающем керновое бурение скважин и оценку характера разрушения кернов скальных пород, при выявлении сейсмически опасных горных массивов, способных вызвать мелкофокусные поверхностные землетрясения скважины, скважины бурят по сетке с поверхности земли на глубину 200-220 м, а о наличии сейсмически опасного массива судят по степени разрушения кернов по длине на мелкие обломки менее диаметра керна и/или на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм, определяемой по формуле СР = l/L·100% где СР - степень разрушения керна по длине, в %; L - длина пробуренного интервала, мм; l - суммарная длина участков керна, разрушенных на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм и/или на мелкие обломки, размеры которых менее диаметра керна, мм.

Благодаря бурению на указанную глубину более точно и достоверно выявляют сейсмически опасные горные массивы, способные инициировать сильные и катастрофические землетрясения, а также уменьшают затраты на бурение. Согласно теоретическим представлениям автора, основанным на анализе большого фактического материала, включая практику горных работ, приповерхностное (мелкофокусное) землетрясение рассматривается как аналог горного удара колоссальной мощности. Приповерхностное землетрясение есть результат хрупкого саморазрушения предельно напряженных горных пород при снятии с них нагрузки со скоростью, превышающей скорость релаксации (расслабления).

Источником энергии мелкофокусных землетрясений является внутреннее напряжение горных пород (σ_вн). Оно обусловлено действием налегающих масс в процессе литификации (окаменения) осадков или расплава. Физическая сущность "запоминания" нагрузки состоит в уменьшении расстояний между элементарными частицами-атомами, молекулами, ионами - в кристаллических решетках. Релаксация внутреннего напряжения возможна при условии деформации или разрушения кристаллической решетки. Время полной релаксации внутреннего напряжения естественным путем можно рассчитать по формуле T = n/G, где T - время релаксации, с; n - вязкость в пуазах (ПЗ); G - модуль сдвига, кГс/см².

Поскольку вязкость горных пород выражается цифрами 10¹³ - 10²² ПЗ, а модуль сдвига - максимум 10⁵ кГс/см², то время релаксации составляет от сотен тысяч до сотен миллионов лет.

По существующим представлениям внутренняя напряженность горных пород рассматривается как реакция на приложенную внешнюю силу: есть внешняя сила, значит есть внутренняя напряженность, при снятии внешнего воздействия исчезает и внутренняя напряженность. Такие представления на природу внутренней напряженности горных пород не отражают ее физической сущности, поскольку ставят знак равенства между реакцией на нагрузку и действием межмолекулярных сил.

"Запоминать" действующие нагрузки способны горные породы только в результате раскристаллизации вещества. Неважно был это осадок или расплав, основная масса или цемент. Из этого следует весьма важный вывод, что обломочные или предварительно раскристаллизованные породы не способны "запоминать" действующие нагрузки.

Как было показано выше, освобождение энергии, связанной с внутренней напряженностью, возможно только при деформации или разрушении кристаллических решеток. При пластических деформациях кристаллических решеток энергия диссипирует постепенно, что сопровождается лишь увеличением объема пород. Такой характер релаксации напряжений приемлем для пород, обладающих низкой механической прочностью. В породах с высокой механической прочностью релаксации внутренней напряженности выражается в хрупком саморазрушении. По сути это взрыв. Такое возможно, если внутренняя напряженность больше сопротивления породы на разрыв - σ_вн> σ_p, причем чем больше разность между указанными величинами, тем сильнее будет землетрясение. Высокая частота землетрясений на Земном шаре - 200-300 тысяч и более в год - свидетельство широты распространения перенапряженных пород (σ_вн> σ_p). Их саморазрушению препятствует внешняя пригрузка (P), обусловленная весом пород, перекрывающих удароопасный массив. Если σ_вн< σ_p+P, хрупкое саморазрушение сейсмического или удароопасного массива исключено. При обратном положении знака неравенства оно произойдет (землетрясение, горный удар). В горных выработках со стороны открытой поверхности пригрузка не работает. Если σ_вн= σ_p, достаточно незначительного внешнего импульса для реализации саморазрушения. Ввиду близких значений σ_вн и σ_p энергия горных ударов не столь значительна как землетрясений.

В сейсмически опасных горных массивах внутреннее напряжение может значительно превышать сопротивление породы на разрыв.

Сила потенциального землетрясения определяется, прежде всего, размерами сейсмоопасного массива и разницей между σ_вн и σ_p (т.е. степенью перенапряженности пород). Их хрупкому саморазрушению препятствует пригрузка P, обусловленная весом пород, перекрывающих сейсмоопасный массив. Однако сама вероятность события зависит от величины пригрузки (P). Даже очень сильно перенапряженная порода никогда не сработает, если P > σ_вн-σ_p. Существует потенциальная опасность, что горный массив может явиться источником и очагом землетрясения при снятии с него пригрузки в силу различных природных и техногенных причин. В силу этого горный массив, состоящий из перенапряженных горных пород, способных к хрупкому саморазрушению, и обнаруженный на глубине, всегда потенциально сейсмически опасен. Для большинства скальных горных пород накапливать энергию и хрупко саморазрушаться способны породы, залегающие на глубинах до 400-500 м. При значительном превышении внешних пригрузок перенапряженные породы могут быть разрушены без взрывного саморазрушения всего массива, поскольку способность к концентрации внутренних напряжений в них не беспредельна. При разрушении таких задавленных пород наблюдаются трещинообразование, диссипации энергии и другие процессы, близкие к проявлению горного удара.

Колонковое бурение скважин с отбором керна позволяет выявить перенапряженные породы по их хрупкому саморазрушению в процессе бурения. Экспериментально установлено, что при бурении перенапряженные скальные породы саморазрушаются характерным образом. Изотропные скальные породы разрушаются на мелкие обломки (осколки), размеры которых меньше диаметра керна: щебень, дресву, песок. В анизотропных скальных породах характер разрушения керна иной: он разрушается на выпукло-вогнутые диски. Выпукло-вогнутые диски характерны для случая, когда ось бурения совпадает или близка к направлениям главных напряжений в породе. В случае разрушения керна более, чем на 50% массив горных пород следует считать сейсмически опасным. Если при последующем углублении степень разрушения кернов возрастает или сохраняется, то можно считать достоверно установленным наличие сейсмически опасного горного массива. Глубину сейсмически опасного массива и его размеры определяют последующим бурением. Полностью разрушенные керны достоверно свидетельствуют о наличии перенапряженных горных пород, способных вызвать не только сильное, но и катастрофическое землетрясение. При определении характера разрушения устанавливается также новизна (свежесть) осколков (дисков), что делается визуально, например, по отсутствию налетов солей и т.п. Свежесть обломков (дисков) свидетельствует о том, что разрушение произошло в процессе бурения. Для определения свежести разрушения могут применяться и другие известные в практике горного дела методы. Изотропность или анизотропность пород так же оценивают известными в практике горного дела методами. Таким образом, бурение скважин по выбранной сети со сплошным отбором керна и установление характера его разрушения позволит оконтурить массив горных пород, способных к хрупкому саморазрушению, который является источником энергии потенциального сильного или катастрофического землетрясения.

Степень разрушения керна по длине можно определить по формуле:
СР = l/L·100%,
где СР - степень разрушения керна по длине, в %;
L - длина пробуренного интервала, мм;
l - суммарная длина участков керна, разрушенных на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм /или на мелкие обломки, размеры которых менее диаметра керна, мм.

Согласно известным представлениям относительно безопасным можно считать землетрясение, при котором наблюдаются сквозные трещины в слабых стенах, падение неукрепленных печных труб и т.п. (см., например, Дж. Гир, Х. Шак, Зыбкая твердь. М., "Мир", 1988, с. 108). Описанные последствия может вызвать уровень энергии землетрясения, оцениваемый в 10¹² кГс·м. Энергия сильнейшего из известных землетрясений оценивается в 10¹⁷ кГс·м (см. там же, с. 99, 108). В предположении, что гипоцентр землетрясения находится у дневной поверхности, в расчете на сильнейшее (катастрофическое) землетрясение определим радиус опасности. В этом случае на дневную поверхность может выделиться максимальное количество сейсмической энергии, но не более половины, другая половина диссинирует в недра Земли. Потери сейсмической энергии (диссипация) в твердых средах приблизительно обратно пропорциональны квадрату расстояния (см. Гурвич И.И. Сейсмическая разведка. М., "Недра", 1970). Следовательно, количество выделившейся энергии на расстояние R от гипоцентра можно расчитать по формуле

где I₀ - полная энергия, выделившаяся при землетрясении, кГс·м;
I_R - энергия, выделившаяся на расстоянии R в круге с радиусом R, кГс·м.

Подставляя в формулу (1) значения максимального и безопасного уровней энергии, определим радиус опасности:

Следовательно, в силу установленного критерия опасности уровень безопасного воздействия землетрясения находится на расстоянии более 220 м (приблизительно 200-220 м) от поверхности. В предположении, что критерии безопасного землетрясения является землетрясение с энергией 10¹² кГс·м, гипоцентром на глубине 200-220 м имеем, что выявленный по керновому бурению сейсмически опасный массив может представлять реальную опасность при глубине залегания его кровли (расстоянии от дневной поверхности) до 200-220 м. Это означает также, что сейсмоопасный очаг обладающий максимально известной энергией (10¹⁷ кГс·м) не способен вызывать ощутимые разрушения, если его кровля находится на глубине более 220 м от поверхности.

Другими словами, бурение до глубин 200-220 м, извлечение и анализ извлеченных кернов согласно заявляемому способу обеспечивает точное и достоверное выявление сейсмоопасного горного массива, способного быть очагом сильного или катастрофического землетрясения.

Поскольку высотное здание сильнее реагирует на горизонтальные колебания, горизонтальный радиус опасности примем равным 500 м, т.е. более, чем с 2-х кратным запасом. Это расстояние соответствует расстоянию между точками наблюдения при сейсмическом районировании в масштабе 1:50000 (Справочник по инженерной геологии. М., "Недра", 1981).

Анализ материалов по сильным и катастрофическим землетрясениям показывает, что массивы перенапряженных пород имеют площади в десятки и даже сотни тысяч квадратных километров. Например, при Аляскинском землетрясении 1964 г. видимые на поверхности нарушения наблюдались на площади 300 тыс. км². Это значит, что буровые скважины можно первоначально располагать на расстоянии 1000 м друг от друга, а при наличии перенапряженных пород уменьшать до 500 м. При необходимости уменьшения степени сейсмического риска глубину обследования можно увеличить до 500-600 м. Поскольку сейсмоопасными могут быть только прочные скальные породы, колонковое бурение целесообразно вести алмазными коронками диаметром 75 или 91 мм.

Пример 1. На площадке предполагаемого строительства пробурено 25 скважин по квадратной сетке 500х500 м колонковым снарядом диаметром 91 мм при углубке за один спуск-подъем 2 м. Каждый извлеченный из скальных пород керн анализировали на степень разрушения по длине на мелкие обломки и/или диски толщиной не более 20 мм. Установлено, что в скважинах на глубинах 10-100 м разрушение кернов на мелкие осколки составило 81% и более.

Вывод: горный массив в интервале глубин 10-100 м сейсмически опасен и способен быть потенциальным очагом сильного землетрясения. Необходимы дополнительные исследования для решения вопроса о возможности строительства.

Пример 2. В населенном пункте, расположенном на скальном фундаменте, и вокруг него пробурено 18 скважин по сетке 500х500 м до глубин 220 м. Бурение и анализ кернов осуществляли аналогично примеру 1. Разрушенных на мелкие обломки (характерные диски) кернов не обнаружено.

Вывод: Под населенным пунктом отсутствует сейсмически опасный горный массив, способный в настоящее время быть очагом сильного землетрясения.

Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 2, отличие состояло в том, что скважины бурили до глубин 400 м. разрушенных на мелкие осколки кернов не обнаружено.

Вывод: Риск разрушительного землетрясения в районе населенного пункта отсутствует.

Пример 4. Способ осуществляли аналогично примеру 1. Установлено, что на глубинах 100-200 м извлекается полностью разрушенные на мелкие осколки керн. Бурение осуществляли до глубин 200 м. Таким образом, установлено наличие сейсмоопасного массива на глубине 100 м от поверхности. По формуле

при R = 100 м, J₀ = 10¹⁷ кГс·м, определяли потенциальную энергию землетрясения, а по графику энергия - баллы (см. упомянутую книгу "Зыбкая твердь", с. 108) определяли бальность землетрясения.

Вывод: На площадке предполагаемого строительства возможно землетрясение с силой более 8 баллов.

Заявляемый способ не может быть использован для прогноза времени землетрясения, поскольку для этого необходимо учитывать целый ряд дополнительных факторов и событий. Предлагаемый способ позволяет достоверно выявить наличие сейсмически опасных горных массивов, которые при стечении благоприятных обстоятельств способны вызвать мелкофокусные разрушительные землетрясения, которые по статистике составляют 90-95% от общего количества землетрясений.

Предлагаемое изобретение позволит экономить значительные средства на сейсмостойком строительстве, но что не менее важно, открывает возможность разработки способов снижения до безопасно уровня энергии ожидаемых землетрясений. Все это обещает ему широкое практическое применение.

Формула изобретения

Способ выявления сейсмически опасного горного массива, включающий керновое бурение скважин и оценку характера разрушения кернов скальных пород, отличающийся тем, что при выявлении сейсмически опасных горных массивов, способных вызывать мелкофокусные поверхностные землетрясения, скважины бурят по сетке с поверхности земли на глубину 200-220 м, а о наличии сейсмически опасного массива судят по степени разрушения кернов по длине на мелкие обломки менее диаметра керна и/или на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм, определяемой по формуле
СР = l / L · 100%,
где СР - степень разрушения керна по длине, в %;
L - длина пробуренного интервала, мм;
l - суммарная длина участков керна, разрешенных на выпукло-вогнутые диски толщиной не более 20 мм и/или на мелкие обломки, размеры которых менее диаметра керна, мм.