Техногенная сейсмичность в районе Ленинского каменноугольного месторождения
С.С. Парамонов, Д.З. Каппушев, Т.А. Манукян, Х.Ю. Евлоев, Е.А. Барсегян
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2022 стр. 131-136
Резюме: Представлен анализ сейсмотектонических условий района Ленинского каменноугольного месторождения (Кузбасс). Ленинский район территориально относится к зоне покрытия сейсмической сетью Алтае-Саянского региона. Были рассмотрены результаты исследований сейсмической активизации в районе Кузбасса с использованием локальных сейсмологических сетей. В ходе сейсмологических наблюдений на территории Кемеровской области были выделены четыре сейсмически активные зоны, опоясывающие крупнейшие промышленные мегаполисы Кузбасса, которые ответственны за 90% очагов землетрясений. По распределению эпицентров сейсмических событий район Ленинского каменноугольного месторождения относится к одной из сейсмических зон с самой активно развивающейся природно-техногенной сейсмической активностью, выделяемой по исследованиям. В исследованиях отмечается, что наведенная сейсмичность в Кузбассе доминирует над природной сейсмичностью.
Ключевые слова: сейсмическая активность, механизм землетрясений, сейсмическая опасность, сейсмическое событие, сейсмическая активизация, магнитуда, техногенная сейсмичность, безопасность
Для цитирования: Парамонов С.С., Каппушев Д.З., Манукян Т.А., Евлоев Х.Ю., Барсегян Е.А. Техногенная сейсмичность в районе Ленинского каменноугольного месторождения. Горная промышленность. 2022;(6):131–136. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-6-131-136
Информация о статье
Поступила в редакцию: 23.10.2022
Поступила после рецензирования: 15.11.2022
Принята к публикации: 17.11.2022
Информация об авторах
Парамонов Сергей Сергеевич – старший преподаватель кафедры геологии и маркшейдерского дела, Горный институт, НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Каппушев Динислам Замирович – аспирант кафедры геотехнологий освоения недр, Горный институт, НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Манукян Тигран Арменович – аспирант кафедры геотехнологий освоения недр, Горный институт, НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Евлоев Хусейн Юсупович – аспирант кафедры геотехнологий освоения недр, Горный институт, НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Барсегян Евгине Агасиевна – аспирант кафедры безопасности и экологии горного производства, Горный институт, НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Проявление индуцированной ведением горных работ сейсмической активности при разработке угля подземным способом известно на многих месторождениях Индии, США, России, Китая и других угледобывающих стран [1–4].
Последовательная отработка угольных пластов влияет на перераспределение полей механических напряжений геологической среды и продуцирует сейсмические явления. Добыча угля в Кузнецком угольном бассейне (Кузбасс) оказывает сильнейшее техногенное воздействие на земную кору и вызывает крупномасштабную индуцированную сейсмичность в этом регионе. В отношении современной геодинамической активности региона она выражается в росте новейших поднятий за счет сокращения впадин, что обусловлено общим поднятием территории [5]. Это подтверждают геоморфологические данные, результаты повторного нивелирования, данные GPS-наблюдений, самопроизвольное газовыделение на территории ЛКМ [5].
Ленинское каменноугольное месторождение (ЛКМ) территориально принадлежит к северо-западной части Кузнецкого угольного бассейна, тяготея к Кузнецкому Алатау. Масштабная отработка угольных пластов Ленинского каменноугольного месторождения в совокупности с особенностями тектонического строения вызывает массивное антропогенное изменение полей механических напряжений в геологической среде, что сказывается на сейсмологическом режиме района ЛКМ. За долгое время эксплуатации ЛКМ было накоплено большое количество сейсмологических и геолого-тектонических данных о состоянии данного района [5–7].
Вопросы сейсмической безопасности ведения подземных разработок угольных месторождений и изменения сейсмического режима района месторождения в целом сложный и многофакторный вопрос [8]. Целью настоящего исследования является совместный сбор и анализ тектонических, а также сейсмологических данных Ленинского каменноугольного месторождения.
Анализ сейсмотектонических условий района Ленинского каменноугольного месторождения
Ленинское каменноугольное месторождение находится в северо-западной части Ленинского геолого-экономического района. В стратиграфическом отношении в районе распространены девонские, каменноугольные, пермские, триасовые, юрские, покровные, неоген-четвертичные отложения и мел-палеогеновые образования коры выветривания. Ленинское месторождение находится в пределах распространения отложений Кольчугинской серии, которая представлена Ильинской и Ерунаковской подсериями, а также Красноярской толщей и Кузнецкой надсерией. Она сложена чередованием песчаников – 33%, алевролитов – 55%, аргиллитов – 5%, углистых аргиллитов –0,4% и углей – 6,7% [6].
В геологическом отношении ЛКМ находится в сложной геодинамической обстановке. Одна из наиболее характерных особенностей района – повсеместное проявление складчатости и четко выраженной вертикальной и латеральной тектонической зональности. Тектоническую структуру угленосных отложений составляют комплексы чередующихся синклинальных и антиклинальных складок, разделенные крупноамплитудными взбросо-надвигами на узкие чешуеобразные блоки, вытянутые параллельно юго-западной границе бассейна. Наряду с крупными нарушениями в угленосной толще установлено большое количество мелких (с амплитудами от единиц до нескольких десятков и реже – сотен метров) разрывов. Месторождение расположено в пределах Ленинской синклинали, которая представляет собой широкую складку с асимметричными крыльями и пологой мульдой. Углы падения пластов изменяются от 0–10° (в центральной части) до 18° на крыльях и до 30–40° на выходе пластов под наносы. Мульда синклинали полого погружается от центральной части поля на северо-запад (2–3°) и юго-восток (3–5°). Юго-западное крыло складки осложнено Ленинской антиклиналью с углами падения крыльев от 20 до 40° [7; 9–12].
В сейсмотектоническом отношении территория Кузнецкого угольного бассейна является переходной между низкоактивной в сейсмическом отношении Западно-Сибирской платформой и высокоактивной Алтае-Саянской сейсмотектонической провинцией. Территория бассейна характеризуется развитой системой глубинных тектонических разломов северо-западного простирания с преобладанием сдвиговой составляющей и субширотного простирания с преобладанием взбросовых и надвиговых структур [1]. С периодической активизацией этих тектонических структур и разломов связаны исторические землетрясения и происходящие техногенно-наведенные события [4].
Область Ленинского каменноугольного месторождения по результатам интерпретации морфотектонических исследований [7] относится к границе между двумя неотектоническими блоками Присалаирского и Кемеровского подрайонов. Обнаженность зон новейших нарушений обычно отсутствует, поскольку они перекрыты предгорными делювиальными шлейфами в случае дифференцированных движений по ним или аллювиальными отложениями, если отсутствуют существенные вертикальные подвижки [7]. Мощность покровного комплекса составляет 20–40 м [10]. Вместе с тем высоты соседствующих неотектонических блоков, входящих в район моделирования, сопоставимы и отличаются порядка на 20–30 м по материалам [5; 7].
В отношении сейсмологических условий породные массивы Кузбасса характеризуются собственной энергонасыщенностью, о чем свидетельствует природная сейсмоактивность региона, отмеченная еще до начала разработки месторождений [1]. Согласно СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» и комплекту карт ОСР-97 территория Ленинского месторождения относится к 6-балльной зоне интенсивности сейсмических воздействий для объектов высокой ответственности (карта А), с повторяемостью 1 раз в 500 лет (10%-ная вероятность превышения расчетной интенсивности). При оценке сейсмической опасности территории юга Кузбасса были приведены данные, что максимально наблюдаемая магнитуда землетрясения в Ленинском районе составляет 5,7, максимально возможная магнитуда землетрясения, по геологическим оценкам, может составить 6 [13]. Известны сильные землетрясения с интенсивностью 7–8 баллов, произошедшие в доиндустриальное время (Кузнецкое землетрясение 1898.06.19, МS = 5,7 и 1903.03.12, МS = 6,1) [14; 15]. С тех пор в течение всего инструментального периода измерений сейсмической активности не регистрировались землетрясения магнитудой больше 4,5 (до 2013 г., когда произошло Бачатское землетрясение, об этом ниже) [9]. Палеосейсмогеологические исследования района дают возможность говорить о том, что массив подвергался мощному динамическому воздействию, каким могло быть древнее землетрясение [16].
Ленинский район территориально относится к зоне покрытия сейсмической сетью Алтае-Саянского региона. Рассмотрим результаты исследований сейсмической активизации в районе Кузбасса с использованием локальных сейсмологических сетей.
В работе [17] приводятся данные эпицентров сейсмических событий, зарегистрированных в районе Прокопьевск-Киселевского разреза и г. Междуреченска на момент 1998–2000 гг. и около г. Осинники в ноябре-декабре 2005 г., приуроченных к ш. «Осинниковская». В ходе детальных исследований была развернута временная локальная сеть из одиннадцати сейсмологических станций [2]. За месячный период наблюдений было зарегистрировано 212 сейсмических событий, из которых 46 являлись промышленными взрывами. Эпицентры сейсмических событий пространственно не коррелировали с положением шахтных полей. Землетрясения были сосредоточены в интервале глубин 0–4,5 км с максимальным количеством событий на глубинах 1–1,5 км при глубине ведения горных работ 200–300 м. Землетрясения соответствовали диапазону энергетического класса К = 1 – 7,2.
В августе 2007 – январе 2008 г. была зарегистрирована сейсмическая активизация в районе г. Полысаево, исследование которой представлено в работе [7]. За 6 мес наблюдений были проведены три серии экспериментов с количеством сейсмологических станций от 20 до 30. Были выявлены два типа сейсмической активизации: индуцированной добычей угля и активизации природного генезиса. Большинство событий природной сейсмичности находятся в диапазоне глубин 2–3 км, и пространственно не приурочены к горным выработкам. Индуцированные сейсмические события наиболее интенсивно проявляются в диапазоне глубин 700–900 м при глубине ведения горных работ 400–500 м [12; 18–20].
Отдельно нужно отметить Бачатское землетрясение с локальной магнитудой МL 6,1 и глубиной очага ~ 4 км, произошедшее 18.06.2013 в Кузбассе немного юго-восточнее г. Белово [16]. За полтора года до этого была отмечена сейсмическая активизация этой области, исследование которой началось с сейсмического события с МL 4,3, зарегистрированного 9 февраля 2012 г., попадающего на борт разреза [13]. За период работы временной сети из 25 сейсмических станций (2 марта – 14 мая 2012 г.) было зарегистрировано около 120 сейсмических событий (исключив предварительно промышленные взрывы) в районе Бачатского разреза, которые обладали диапазоном магнитуд 0,4–2 [14]. Помимо этого, 4 мая 2013 г. произошло новое ощутимое сейсмическое событие с локальной магнитудой МL 3,9. После Бачатского землетрясения временная сеть из десяти сейсмологических станций, установленная в первый день после главного толчка, позволила зарегистрировать поток сейсмических событий за период 19 июня – 8 октября 2013 г. [2; 3]. Наиболее сильные афтершоки имели локальную магнитуду МL ~ 4 [15]. В первые дни после главного толчка регистрировалось 30–70 [3] афтершоков ежедневно, но через полтора месяца уровень сейсмической активности значительно снизился – до единиц сейсмических событий в день. Большинство событий (~ 75%) были зарегистрированы в диапазоне глубин 3–4,5 км, и лишь небольшое количество ближе к поверхности, на глубине 0,5–2 км. Тип сейсмической активизации данного периода характеризуется как индуцированный ведением горных работ в районе [14].
В работе [14] рассматривается сейсмическая активизация на юге Кузбасса (около п. Малиновка) в 2016 г. В конце 2016 г. сейсмической сетью Алтае-Саянского региона было зарегистрировано увеличение количества сейсмических событий в районе Калтанского угольного разреза. Для исследования сейсмической активизации была развернута временная сейсмологическая сеть из пяти станций, которая работала в течение пяти месяцев (декабрь 2016 г. – апрель 2017 г.). Сейсмическая активизация связывается с горными работами (ш. Алардинская и Калтанский разрез).
Было отмечено, что крупнейшие сейсмические события происходили в одной локальной зоне отвалообразования Осинниковского поля с локальными магнитудами МL > 2,5. Другая часть землетрясений с локальными магнитудами МL < 2 была сосредоточена на участке, соответствующем ш. Алардинская. По своим характеристикам сейсмические явления, приуроченные к шахтным полям ш. Алардинская, отличаются от общего фона индуцированной горными работами сейсмичности около п. Малиновка, т.к. включают землетрясения с локальной магнитудой МL < 2. По сути техногенная сейсмическая активизация, приуроченная к Калтанскому разрезу, является триггером для сейсмической активизации на ш. Алардинская [14]. Обнаружено, что сейсмическая активизация, связанная с открытыми горными работами, смещается к району, приуроченному к ш. Алардинская [14].
Рассмотрим более обобщенные данные о сейсмических явлениях в районе Ленинского каменноугольного месторождения. За последние 25 лет Единой геофизической службой РАН [15] в исследуемом районе (в радиусе 200 км от Ленинск-Кузнецка) зарегистрировано 18 землетрясений с магнитудой 3–5,2 (включая Бачатское землетрясение 2013 г.), табл. 1. Гипоцентры землетрясений однозначно разграничены по интервалам: 30–35 км (2 землетрясения) и 10–15 км (13 землетрясений).
В исследованиях [14; 15; 17] отмечается рост количества сейсмических событий, начиная с 1960-х годов. Энергетический класс землетрясений был небольшим (К < 8–9), однако с 1980 г. начинают встречаться сейсмические события 9-го энергетического класса, а количество природно-техногенных землетрясений превысило количество естественных сейсмических событий по результатам анализа их графиков повторяемости [14]. За период 1998–2016 гг. на территории Кузбасса произошло более 100 землетрясений техногенно-тектонического характера с региональной магнитудой Mb > 3 [17]. Таким образом, делается вывод, что природно-техногенная сейсмичность Кузбасса достигла в своем развитии новой фазы: появляются рои сейсмических событий, приуроченные к горным работам, и мощные, относительно неглубокие землетрясения.
В ходе сейсмологических наблюдений на территории Кемеровской области были выделены четыре сейсмически активные зоны, опоясывающие крупнейшие промышленные мегаполисы Кузбасса [6; 17], которые ответственны за 90% очагов землетрясений. По распределению эпицентров сейсмических событий район Ленинского каменноугольного месторождения относится к одной из сейсмических зон с самой активно развивающейся природно-техногенной сейсмической активностью, выделяемой по исследованиям [17] (рис. 1). На рис. 1 схематично вынесены основные результаты сейсмического мониторинга Кузбасса: сейсмические активизации, рассмотренные выше; сильные сейсмические события, определенные разными исследователями; сейсмически активные зоны; тектонические разломы.
В итоге для районов Кузбасса отмечается сейсмичность, индуцированная ведением горных работ, что подтверждается исследованиями с использованием временных локальных сейсмологических сетей. В исследованиях [13–16] отмечается, что наведенная сейсмичность в Кузбассе доминирует над природной сейсмичностью. Природная сейсмичность приурочена преимущественно к горному обрамлению Кузнецкой котловины, в то время как наведённая сейсмичность – к местам добычи угля, то есть к самой впадине [17]. Резюмируя:
• По разнообразным сейсмологическим данным отмечаются прирост сейсмической активности, особенно сейсмических явлений с малыми магнитудами и энергетическим классом, и отдельные сильные землетрясения природно-техногенного характера (например, Бачатское землетрясение 18.06.2013) с относительно небольшой глубиной гипоцентров и приуроченные к местам ведения горных работ;
• Регистрируются фазы резкой сейсмической активизации недр, наблюдавшиеся около г. Осинники – г. Междуреченск, г. Полысаево, г. Белово, п. Малинновка, приуроченные к местам ведения открытых и подземных горных работ в 2005, 2007, 2012–2013, 2016–2022 гг. Эти явления носили форму роевых (близко расположенных друг к другу) сейсмических событий низкого энергетического класса и имели малую глубину гипоцентров. Вследствие малой глубины эти события даже при небольшой мощности создали ощутимые для земной поверхности колебания в эпицентральных областях; Регистрируется прирост количества сильных землетрясений природно-техногенного характера по отношению к фоновой техногенной сейсмичности с региональной магнитудой Mb > 4 и глубиной гипоцентра 2–5 км;
• Учитывая данные о гипоцентрах землетрясений, можно предположить, что сейсмогенерирующий слой индуцированной сейсмичности расположен в диапазоне 1,5–3 км для условий рассматриваемого района.
Заключение
Сейсмичность, индуцированная ведением горных работ в районе Ленинского каменноугольного месторождения, существенно влияет на безопасность эксплуатации месторождения. Исследования показывают, что она вносит вклад в сейсмическую активность района. Данный фактор необходимо учитывать при оценке сейсмической и геодинамической опасности района.
Список литературы
1. Новиков И.С., Черкас О.В., Мамедов Г.М., Симонов Ю.Г., Симонова Т.Ю., Наставко В.Г. Этапы активации и тектоническая делимость Кузнецкого угольного бассейна (Южная Сибирь). Геология и геофизика. 2013;54(3):424–437.
2. Yakovlev D.V., Lazarevich T.I., Tsirel’, S.V. Natural and induced seismic activity in Kuzbass. Journal of Mining Science. 2013;49(6):862– 872. https://doi.org/10.1134/S1062739149060038
3. Попов Ю.Н. Некоторые особенности тектоники шахтных полей Северо-Восточной части Ленинского района Кузбасса. Известия Томского политехнического института. 1976;236:119–128. Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/12111
4. Адушкин В.В. Триггерная сейсмичность Кузбасса. В кн.: Адушкин В.В., Кочарян Г.Г. (ред.) Триггерные эффекты в геосистемах: материалы третьего Всероссийского семинара-совещания, г. Москва, 16–19 июня 2015 г. М.: Институт динамики геосфер РАН; 2015. С. 8–28.
5. Овсюченко А.Н., Рогожин Е.А., Новиков С.С., Мараханов А.В., Ларьков А.С., Акбиев Р.Т., Могушков И.М. Палеогеологические и тектонические исследования сеймоопасных территорий юга Кузбасса. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2010;(6):35–45.
6. Лаврентьев А.И. О неотектонических структурах и землетрясениях района Новокузнецка. Геология и геофизика. 1971;12(9):117–122. Режим доступа: http://www.ipgg.sbras.ru/ru/science/publications/materials-arzybeyskiy-terreyn-fragmentmezoproterozoyskoy-2003-022144
7. Лазаревич Т.И., Мазикин В.П., Малый И.А., Ковалев В.А., Поляков А.Н., Харкевич А.С., Шабаров А.Н. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса. Кемерово: Науч.-исслед. ин-т горной геомеханики и маркшейдерского дела – межотраслевой науч. центр ВНИМИ; 2006. 180 с.
8. Kobylkin S.S., Pugach A.S. Rock burst forecasting technique and selecting a safe coal face advance direction. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(2):126–136. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-2-126-136
9. Kolikov K.S., Manevich A.I., Mazina I.E. Stress–strain analysis in coal and rock mass under traditional mining with full caving and in technology with backfilling. Eurasian Mining. 2018;(2):15–17. https://doi.org/10.17580/em.2018.02.04
10. Manevich A.I., Kolikov K.S., Egorova E.A. Geoecological aspects of stress-strain state modeling results of Leninsky coal deposit (Kuzbass, Russia). Russian Journal of Earth Sciences. 2019;(19):ES4002. https://doi.org/10.2205/2019ES000663
11. Morozov V.N., Tatarinov V.N., Manevich A.I., Losev I.V. Analogy method to determine the stress-strain state of structural-tectonic blocks of the Earth’s crust for the disposal of radioactive waste. Russian Journal of Earth Sciences. 2019;(19):ES6001. https://doi.org/10.2205/2019ES000687
12. Морозов В.Н., Маневич А.И., Татаринов В.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния и геодинамическое районирование в сейсмически активных районах. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(8):123–132. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-8-0-123-132
13. Emanov A.F., Emanov A.A., Fateev A.V., Leskova E.V., Shevkunova E.V., Podkorytova V.G. Mining-induced seismicity at open pit mines in Kuzbass (Bachatsky earthquake on June 18, 2013). Journal of Mining Science. 2014;50(2):224–228. https://doi.org/10.1134/S1062739114020033
14. Еманов А.А., Еманов А.Ф., Фатеев А.В., Лескова Е.В. Техногенная сейсмическая активизация на юге Кузбасса (п. Малиновка). Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017;2(3):66–71. Режим доступа: http://www.ipgg.sbras.ru/ru/science/publications/materialstekhnogennaya-seysmicheskaya-aktivizatsiya-na-yuge-2017-048791
15. Emanov A.A., Emanov A.F., Fateev A.V., Leskova E.V. Simultaneous impact of open-pit and underground mining on the subsurface and induced seismicity. Seismic Instruments. 2018;54(4):479–487. https://doi.org/10.3103/S0747923918040035
16. Emanov A.F., Emanov A.A., Leskova E.V., Fateev A.V., Semin A.Yu. Seismic activation at coil mining in Kuzbass. Physical Mesomechanics. 2009;12(1):37–43.
17. Adushkin V.V. Technogenic tectonic seismicity in Kuzbass. Russian Geology and Geophysics. 2018;59(5):571–583. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2018.04.010
18. Акматов Д.Ж., Николайчук В.В., Тихонов А.А., Шевчук Р.В. Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности. Горная промышленность. 2020;(1):144–147. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-144-147
19. Шевчук Р.В., Маневич А.И., Акматов Д.Ж., Урманов Д.И., Шакиров А.И. Современные методы, методики и технические средства мониторинга движений земной коры. Горная промышленность. 2022;(5):99–104. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-99-104
20. Kaftan V.I., Tatarinov V.N., Shevchuk R.V. Long-term changes in crustal movements and deformations before and during the 2016 Kumamoto earthquake sequence. Geodynamics & Tectonophysics. 2022:13(1):0570. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-1-0570