VII.6. О горных ударах и землетрясении
Разновидностей проявлений горных ударов довольно много. Иногда их можно ощущать как удары по пяткам. При увеличении их силы возможно подбрасывание отдельных объектов. Во время моего наблюдения в штреке шахты "Распадская" горные удары воспринимались как периодические легкие удары, но вдруг амплитуда резко увеличилась, очередным ударом был подброшен угольный добычной комбайн, который при падении придавил шахтера. На шахте "Первомайская" Луганской области горные удары были в виде сильного грохота, но без каких-то механических проявлений. Так же выглядят горные удары в главном стакане аэрации в Ольгино. На Североуральском бокситовом руднике (СУБР) горные удары разрушают выработки и обходятся многими жизнями.
Но как бы ни проявлялись эти техногенные микроземлетрясения, они всегда происходят в зонах тектонических нарушений.
В таких зонах грунт имеет пониженную несущую способность, вследствие чего инженерные сооружения в этих местах имеют бóльшую скорость осадки, что и вызывает их разрушение. Условием перехода от ускоренной осадки к горному удару является наличие динамических составляющих в воздействии на грунт со стороны сооружения, а также большое значение добротности низкочастотной гармонической составляющей в зоне тектонического нарушения. Перечислим некоторые установленные факты.
а). Горные удары происходят только во время работы добычной, проходческой или другой вибрирующей техники, либо при проведении промышленных взрывов.
б). Осадка тоннелей Петербургского метрополитена в районе пл. Мужества в предаварийный период из плавной перешла в толчкообразную, то есть, в виде горных ударов, и завершилась разгерметизацией тоннелей. Произошло это непосредственно в зоне тектонического нарушения, на протяжении не более чем 40м.
в). В настоящее время с горными ударами можно познакомиться в Ольгино, под Петербургом, на Северных очистных сооружениях. Основные механизмы этой станции оказались установленными непосредственно в зоне тектонического нарушения.
г). Горные удары по разрушительному действию могут приблизиться к природным землетрясениям. Пример тому - авария на Чернобыльской АЭС. Два толчка, зарегистрированные сейсмологами в момент аварии [20] есть не что иное как горные удары, которые возникли вследствие того, что 4-й блок АЭС, оказывающий на грунт мощное вибрационное воздействие, был воздвигнут непосредственно в зоне разлома.
В поисках физики перехода от плавного погружения инженерных сооружений в слабый грунт к толчкам мы обратили внимание на то, что в зонах тектонических нарушений встречаются участки, на которых возможны резонансные явления.
На рис. VII.8а приведен ССП-разрез, полученный в результате исследования территории Ольгинских очистных сооружений в зоне горных ударов. Большое значение Q, то есть большая добротность колебательных процессов, из которых состоят сигналы, свидетельствуют о возможности резонансных явлений. Так, вид сейсмосигнала, скажем, в точке 660м профиля (рис. VII.8б) вполне соответствует ситуации, подобной тому классическому примеру, когда следствием строевого шага воинского подразделения было разрушение моста.
Рис. VII.8
Частота высокодобротной гармонической составляющей равна 16Гц (160 м). Наличие высокодобротной колебательной системы со столь низкой собственной частотой безусловно может создать предпосылки для разного рода резонансных явлений при работе насосов и другой вибрационной техники.
Резонанс - это совпадение частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта. Резонансное явление заключается в увеличении амплитуды колебаний при неизменной амплитуде колебаний внешнего воздействия. При этом, поскольку горные породы являются ломкими, разрушающимися при самых минимальных нагружениях, то резонансное увеличение амплитуды колебаний приводит к макроразрушению, которое проявляется в виде резкого, удароподобного проваливания или просто удара со стороны грунта.
Таким образом, прогноз горных ударов состоит в том, чтобы выявить тектонические нарушения, а также участки в пределах зон этих нарушений, где существуют высокодобротные колебательные системы. Зная эти участки, можно предусмотреть такие меры, которые исключат условие формирования горных ударов. Ну, например, уменьшить или даже исключить динамическое воздействие в таких зонах, или изменить частоту внешнего воздействия, чтобы избежать резонансных явлений.
Одной из разновидностей динамического воздействия на грунт является воздействие со стороны проходящего по рельсам поезда. Установив сейсмоприемник вблизи железнодорожных путей, мы увидим, что при прохождении поезда возникает периодический процесс, частота которого определяется скоростью поезда, а также расстояниями между колесными осями. Понятно, что если эта частота совпадет с собственной частотой высокодобротной колебательной системы, оказавшейся в земной толще в данном месте, то возникнет резонансное явление. Оно проявится таким образом, что по мере прохождения поезда через эту зону амплитуда колебаний будет возрастать от вагона к вагону, и если превысит некую критическую величину, то возможно разрушение пути и, соответственно, крушение поезда. Причем, крушение очень характерное, когда первая часть поезда проходит, и только вторая его часть сходит с рельс.
Такие аварии действительно происходят. Мы обследовали два таких случая - под г. Гагариным Московской области, и в Литве, под Клайпедой. В обоих случаях участок разрушения пути находился в зоне тектонического нарушения при очень больших значениях добротности низкочастотных составляющих сейсмосигнала.
Разгадав механизм горных ударов, имеем два следствия. Во-первых, исследуя методом ССП зоны возможного воздействия вибрационной техники, можно выявить удароопасные зоны. А во-вторых, имеем основание предложить гипотезу природных землетрясений.
Теперь что касается природных землетрясений.
В предыдущей редакции я высказал гипотезу, что механизм природного землетрясения мог бы быть подобным механизму землетрясений техногенных. И только один момент здесь оставался неясным. А именно, было неизвестно, существует ли источник внешнего периодического воздействия. Однако на конференции "Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского", проходившей в Москве 28 февраля - 02 марта 2002 г в докладе "Оценка напряженного состояния земной коры в районе острова Сахалин и близлежащих территорий" Попов Е.А. и Солодилов Л.Н. сообщили о том, что ими зарегистрировано с помощью гравиметорв внешнее периодическое воздействие с периодом порядка минут.
Кроме того, в докладах посвященных изучению землетрясений, сделанных на традиционном летнем семинаре 1-5 июля 2002 г "Геомеханика и геофизика", организованном Институтом геофизики СО РАН, указывалось на наличие затухающих высокодобротных периодических колебаний с периодом порядка минут.
Представляется, что вся эта информация подтверждает конструктивность высказанной выше гипотезы формирования природных землетрясений.
