30 техногенная сейсмичность при разработке калийных месторождений

Важнейшей эколого-геодинамической проблемой калийных рудников мира является техногенная сейсмичность, возникающая в процессе освоения крупнейших соляных месторождений. Подобные сейсмические явления, или горно-тектонические удары сопровождаются разрушениями породного массива, приводят к повреждению горных выработок, а сильные горные удары нередко проявляются на земной поверхности в виде трещин и провалов. Эпицентры техногенных землетрясений сопряжены с участками ведения подземных горных работ. В ряде случаев сейсмособытия регистрируются за пределами отрабатываемых шахтных полей вблизи зон активных разломов земной коры, устанавливаемых в калиедобывающих регионах геолого-геофизическими и дистанционными методами.

На крупнейшем в мире разрабатываемом Саскачеванском калийном месторождении (Канада) системой сейсмического мониторинга начиная с 1976 г. зафиксированы 26 землетрясений с максимальной силой 3, 7 балла и многочисленные микроземлетрясения [1]. Во время наиболее крупного сейсмособытия местные жители отмечали растрескивание штукатурки в некоторых зданиях и опрокидывание небольших незакрепленных объектов.

Крупные техногенные землетрясения произошли во второй половине XX в. на интенсивно осваиваемых калийных месторождениях Германии. При сильном горном ударе 8 июля 1958 г. на руднике им. Э. Тельмана в ГДР соляные целики подверглись разрушению на площади 5, 1 млн м². При этом зона поверхностных деформаций составила 1200 км². Землетрясение фиксировалось сейсмостанциями на расстоянии до 2000 км от эпицентра. 13 марта 1989 г. на руднике Верра в результате горного удара разрушения проявились на площади около 6 км². На калийных рудниках Германии широко применяется система сейсмического мониторинга, позволяющая регистрировать техногенные землетрясения различного энергетического класса.

В 90-х годах прошлого века на территории Верхнекамского соленосного бассейна (Россия) было зафиксировано три землетрясения. Наиболее интенсивное сейсмособытие силой 5 баллов произошло 5 января 1995 г. в районе г. Соликамска. Оно вызвало одновременные внезапные многочисленные газодинамические явления, обрушения пород кровли и разрушение междукамерных целиков в северо-восточной части Второго Соликамского калийного рудника на площади 370 тыс. м². При этом на земной поверхности образовались просадки глубиной 4, 4 м и размерами в плане 670 × 840 м [2].

Техногенная сейсмичность проявляется в процессе разработки калийных руд Старобинского месторождения пластового типа, которое эксплуатируется РУП ПО «Беларуськалий» с 1962 г. четырьмя рудниками. На участках отрабатываемых шахтных полей месторождения и территории северо-запада Припятского прогиба в целом методами инструментального сейсмического мониторинга установлены очаги землетрясений в диапазоне энергетических классов К = 4, 6― 12, 0 [3, 4]. Пространственное распределение эпицентров сейсмособытий контролируется новейшей тектонической делимостью земной коры [5].

В пределах Старобинского месторождения калийных солей и прилегающих территорий выполнен анализ взаимосвязей между системами активных разломов различного ранга и особенностями локализации эпицентров землетрясений. Среди суперрегиональных разломов центральное место в дизъюнктивной неотектонике рассматриваемого региона занимают Стоходско-Могилевский и Северо-Припятский разломы, отражающиеся в структуре кристаллического фундамента и платформенного чехла. Высокой мобильностью в позднеолигоцен-четвертичное время и на современном этапе развития земной коры отличаются субширотные региональные разломы платформенного этапа заложения: Червонослободский, Ляховичский и Речицкий. Эти системы дизъюнктивов проявляются в верхнедевонской калиеносной субформации верхнего девона с вертикальной амплитудой смещения горных пород до 150 м. Они также уверенно фиксируются на космических снимках в виде зон эшелонированных линеаментов шириной 1― 2, 5 км, что свидетельствует об их неотектонической активности. Амплитуды современных вертикальных движений над размомами этой группы достигают до 25― 35 мм/год, что на порядок выше подобных региональных перемещений для территории Беларуси в целом. На основе комплексной интерпретации космогеологических и геолого-геофизических данных установлены субрегиональные и локальные разломы, зоны тектонической трещиноватости, которые также контролируют местоположение эпицентров землетрясений.

География сейсмособытий в пределах Старобинской центриклинали Припятского прогиба свидетельствует о связи землетрясений с дизъюнктивными дислокациями платформенного чехла и кристаллического фундамента, имеющими азимут простирания в большинстве случаев 287 и 45°. Прежде всего следует отметить довольно сильное для равнинно-платформенных территорий землетрясение 10 мая 1978 г. вблизи г. Солигорска (район д. Кулаки). Подобное событие, зарегистированное сейсмостанциями «Плещеницы» (Минская обл. ) и «Обнинск» (Калужская обл. России), тяготеет к северному фрагменту Червонослободского регионального разлома. Интенсивность сотрясаемости земной поверхности достигала здесь 4― 5 баллов (по шкале МSK ― 64), К = 9― 9, 5. Во время землетрясения обрушилось более 3 тыс. т соленосных пород на шахтных полях РУП ПО «Беларуськалий». Расчет энергии, которая могла выделиться при обрушении столь значительных масс пород кровли, показал, что она соответствует землетрясению с К = 6, 27. По видимому данное сейсмособытие связано с сильным транзитным землетрясением, которое могло вызвать внезапное обрушение горных пород.

На пересечении Стоходско-Могилевского и Северо-Припятского разломов произошло ощутимое землетрясение (К = 9) 2 декабря 1983 г. Серия микроземлетрясений со значениями К порядка 7 зафиксирована в зоне Ляховичского регионального разлома, который ограничивает с севера шахтные поля 3 и 4 калийных рудников. Выявлена связь сейсмособытий со значениями К = 7, 1― и более с Червонослободским дизъюнктивом, активном на нео-тектоническом этапе.

Анализ сейсмических явлений в пределах Старобинской центриклинали Припятского прогиба показывает, что эпицентры землетрясений тяготеют к зоне Стоходско-Могилевского суперрегионального разлома, располагаясь в узлах его пересечения субширотными дизъюнктивами «припятского» направления. Заслуживает внимания яркое сейсмособытие 15 марта 1998 г. в районе п. Погост, зарегистрированное станцией сейсмического мониторинга «Солигорск». Очаг сотрясений радиусом 1, 5― 2 км находился в зоне Стоходско-Могилевского разлома. Интенсивность деформаций земной поверхности составила около 5 баллов, К = 8― 8, 5.

Рассмотренные выше системы активных дизъюнктивов, контролирующие развитие техногенных землетрясений, согласуются с тектоническими зонами Старобинского месторождения калийных солей, установленными в ходе геофизических, космогеологических и горно-геологических работ. В верхнефаменской соленосной формации отдельным звеньям Ляховического и Речицкого региональных разломов соответствует Северная тектоническая зона, с которой сближены ряд разрывов, примыкающих к краевому Северо-Припятскому разлому. На юге месторождения выделяется Южная тектоническая зона, выраженная отрезком Червонослободского дизъюнктива. Центральная тектоническая зона (Центральный разлом) сопряжена с одним из фрагментов Стоходско-Могилёвского суперрегионального разлома. Активизация последнего на платформенном этапе (вплоть до квартера) обусловила также формирование Чепелевского дизъюнктива и ряд других субпараллельных разрывов локального уровня, которые нашли выражение в породах калиеносной субформации верхнего девона. Выявленные региональные закономерности в пространственном распределении эпицентров землетрясений позволили установить связь сейсмособытий с локальными тектоническими зонами в пределах Старобинского месторождения калийных солей.

Микроземлетрясения (К = 4, 6― 7) в районе эксплуатируемого Старобинского месторождения калийных солей в большей степени обусловлены техногенными причинами. Существующая здесь технология подземной разработки сильвинитовой руды с обрушением кровли горных пород вызывает возбуждённую сейсмичность. Кроме того, на динамику тектонических процессов и сейсмическую активность оказывают влияние складирование значительного объема галитовых отходов в виде солеотвалов высотой до 120 м, статическое давление водных масс Солигорского водохранилища, принудительная закачка рассолов в подземные коллекторы. Подобная техногенная нагрузка приводит к перераспределению напряжений в земных недрах. При этом возникают сдвиговые и растягивающиеся деформации, приводящие к локальной сейсмичности.

Регистрируемые системами сейсмического мониторинга в пределах Старобинской центриклинали Припятского прогиба землетрясения высокого энергетического класса (К = 8― 9 и более) вызваны концентрацией и разрядкой напряжений в земной коре, энергетическая подпитка которых, по-видимому, обусловлена сильными карпатскими или другими транзитными землетрясениями.

Таким образом, закономерности проявлений техногенных землетрясений на калийных рудниках устанавливаются на основе комплексного изучения горно-геологической, сейсмической и неотектонической (разломно-блоковой) обстановки в районе разрабатываемого месторождения и на прилегающей территории. При ведении горных работ в пределах шахтных полей образуются участки повышенной напряженности породного массива. Способность рудной залежи к накоплению значительной энергии упругого сжатия и к высвобождению ее в форме хрупкого разрушения под нагрузкой является ведущим фактором формирования горно-тектонического удара. Наличие дополнительных тектонических напряжений в зонах активных разломов земной коры, располагающихся вблизи месторождения, усиливает техногенную сейсмичность. При организации сейсмического мониторинга калийных рудников должно уделяться внимание космогеологическому прогнозу новейших дизъюнктивных структур и зон повышенной трещиноватости в соленосном бассейне, контролирующих формы и интенсивность динамических проявлений горных ударов, а также пространственное распределение техногенных землетрясений.