Методика прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская» Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.831.32 Л.И. Беляева

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА УДАРООПАСНОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА В СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПОЛЯ ШАХТЫ «КОМСОМОЛЬСКАЯ.»

Дано описание аппаратурно- программного комплекса «GITS», предназначенного для непрерывной регистрации и обработки сейсмических сигналов, возникающих в пределах шахтных полей.

Ключевые слова: горный массив, удароопасное состояние, сейсмоустойчивость.

Семинар № 2

L.I. Belyaeva

THE PROCEDURE OF FORECASTING THE BUMP HAZARDOUS STATE OF THE ROCK MASS IN THE GEOSEISMIC CONDITIONS OF THE PIT “KOMSOMOLSKAYA”

The description of the hardware-software system «GITS», designed for the continuous registering and processing of the seismic signals in the pit field area is given.

Key words: rock mass, rock-bump hazard, seismic stability.

Лоложительные результаты двухлетней работы аппаратурнопрограммного комплекса «GITS», установленного ша шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» ФЗАО «Север-сталь-Ресурс» позволили разработать совместно с ОАО ВНИМИ (г. С-Петербург) «Методику прогноза удароопасного состояния горного массива сейсмическим методом в условиях поля шахты «Комсомольская», включающая в себя полный пакет, утвержденных в Печорском межрегиональном управлении по ТЭН, документов:

• технические требования к системам контроля;

• описание сейсмической сети;

• методику обработки и интерпретации сейсмических событий;

• методику построения карт сейсмической активности;

• методические подходы к прогнозу удароопасности;

• описание критериев удароопас-ности;

• регламент взаимодействия с техническими службами шахты;

• общие принципы оценки эффективности прогноза.

Функциональное назначение аппаратурно-программного комплекса «GITS» заключается в следующем:

• непрерывная регистрация и последующая обработка сейсмических сигналов, возникающих в пределах шахтных полей;

• оценка энергии и координат сейсмических явлений, возникающих в контролируемом массиве горных пород;

• оценка и районирование шах-тных полей по сейсмической активности;

• выделение удароопасных зон в пределах сейсмической сети;

• прогноз перехода участков горного массива в удароопасное состояние;

• оценка эффективности разгрузочных мероприятий;

• накопление базы данных сейсмических событий.

Весь аппаратурный комплекс имеет возможность регистрировать в диапазоне частот 0.1-800 Гц сейсмические сигналы, энергетический спектр которых лежит и пределах от 102 Дж до 106 Дж, Чувствительность системы позволяет также перекрыть 4 -5 порядков по энергиям регистрируемых событий. Это условие необходимо для того, чтобы в рамках отдельной подсистемы осуществлять прогноз наиболее сильных сейсмических событий из данного энергетического диапазона, для чего создается банк данных (каталог) сейсмических событий, которые на 3-4 порядка ниже по энергии, чем прогнозируемые (1).

Кроме каталога сейсмических событий система имеет адаптированную базу данных о горно-технической обстановке на шахте. В ее состав входит: геологическая информация, планы и разрезы горных работ, технология ведения горных работ (проходческих и очистных), данные о физико-механических свойствах горного массива, о взрывных работах, профилактических мероприятиях, результаты оценки напряженного состояния массива локальными геофизическими и инструментальными методами т.п. Эти данные используются при комплексном анализе и прогнозе горнотехнической обстановки, планирования и контроля эффективности применяемых профилактических мероприятий, а также для выработки стратегии ведения горных работ с целью повышения их безопасности.

Выходным документом обрабатывающего комплекса GITS являются прогнозные Карты удароопасности участков шахтного поля, на которых представлены сейсмоопасные зоны увязанные по координатам с планами горных работ, а также и по вертикальным разрезам. При этом используют данные о сейсмической активности за определен-

ный период, предшествующего прогнозируемому периоду.

Построение сети системы GITS на шахте «Комсомольская» осуществлено с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического пункта. Под реальной чувствительностью принят радиус сферы (Rs), в пределах которой сейсмический пункт регистрирует событие заданной энергии. Условием уверенного определения момента первого вступления считаем трехкратное превышение амплитуды сигнала над амплитудой помехи: Асиг > 3Апом. Радиус реальной чувствительности определен по эмпирической формуле:

Rs < 332 • м, (1)

где Е - сейсмическая энергия события в Дж, а - амплитуда помехи в 10-7м/с. Rs составляет величину порядка 500 м для событий 102 Дж.

Пункты регистрации сети оборудованы в доступных подземных горных выработках при условии перекрытия радиусов реальной чувствительности минимум от четырех пунктов и максимально возможном разносе точек по координатам X, Y и Z для наилучшего окружения контролируемой области.

Регистрация сейсмических событий производится путем непрерывного мониторинга системой программного комплекса, состоящего из сети подземных и поверхностных пунктов регистрации (нижний уровень комплекса) и приемнообрабатывающей части (верхний уровень). Сеть из 12 точек регистрации (сейсмических пунктов) обеспечивает уверенное определение координат и сейсмической энергии явлений (толчков, микроударов, горных ударов, технологических взрывов) от 102Дж и выше. Вычисление координат сейсмического явления производится по време-

нам первых вступлений прямых продольных волн, определенных с точностью не менее 1-2 мс, минимум на 4-х точках регистрации при условии хорошего окружения очага данными точками двумя взаимоконтролирующими способами.

Для расчета координат установлены (по ранее многократно проведенным шахтным сейсморазведочным работам методом преломленных волн) скорости упругих волн в пределах 4600-5400 м/с в контролируемом массиве горных пород.

Погрешность определение координат при использовании средней скорости во внутренних точках сети составляет порядка ± 10.0 м по трем компонентам сейсмического датчика . При этом учитываются и реальные размеры очага.

Для оценки размера очага при различных его формах применены следующие эмпирические формулы:

г = 1.85Ec0'186, м (сфера);

L = 2.9ЕС024, м (плоскость), (2)

W = 2.0ЕС0'21, м (плоскость),

где Ес - сейсмическая энергия события, г - радиус сферы, охватывающий зону неупругих деформаций, L - длина разрыва, W - ширина разрыва.

Энергетической характеристикой события является сейсмическая энергия или та часть полной энергии очага, которая приходится на образование упругих колебаний и их распространение в массиве горных пород. Для шахтных условий она не превышает первых процентов от полной энергии и, чем больше энер-гия, тем выше доля сейсмической энергии. Для вычисления сейсмической энергии (прямой расчет) используется формула:

Ec=2лR2p(ZVpAp2Tp+ZVsAs2Ts), Дж, (3) где R - гипоцентральное расстояние, м; р - плотность среды; V,, У8 - скорости 266

продольной и поперечной волны, м/с; Ap, As - амплитуды скорости колебаний в продольной и поперечной волнах, м/с; xp,xs - длительность цуга колебаний в продольной и поперечной волнах, сек.

В результате прямого расчета энергии по большому числу сейсмических явлений получена корреляционная зависимость величины сейсмической энергии от длительности записи:

lgEc = А + В lg т, (4)

где т - полная длительность записи по сейсмограмме.

Для условий шахты «Комсомольская», коэффициенты А и В соответственно равны 2.21 и 2.70.

Разброс отдельных измерений от данной зависимости не превышает 0,5 порядка, что вполне допустимо при шахтных сейсмических измерениях.

Расчеты энергии по формуле (4), сделанные в ОАО ВНИМИ, показали их хорошую сходимость с результатами определений по зависимости (3), которая и используется при определении сейсмической энергии событий по длительности сигнала, которая определяется по всем установленным сейсмопунктам сети. Экстремальные значения в тах или min диапазоне выбраковываются. По остальным значениям считается среднее арифметическое с последующим расчетом величины энергия зарегистрированного сейсмического события.

По результатам сейсмических мониторинговых наблюдений на шахте «Комсомольская» установлены закономерности группирования сейсмических событий по координатам их очага в пределах одинаковых элементов шахтного поля с характерным размером L и классам энергии от Еmin до Ei. По результатам группирования за период Т с периодичностью 1 раз:

- в сутки строится «Карта плотности сейсмических событий» по энергии (рис. 2, а);

- за 15 дней «Карта удароопасности участков шахтного поля» с зонами повышенной активности и изменения критерия удароопасности массива параметру ¥ (рис. 2, б). Критическим энергетическим порогом сейсмического события, определяющим удароопасность массива принято зарегистрированное сейсмическое событие с Е=>30,0 кДж. Для контроля их состояния во времени с периодичностью раз в сутки оценивают параметры распределения событий по уровням энергии N1=^) по специальным графикам за предшествующий моменту оценки период времени Т (рис.3). Для участков шахтного поля с малым количеством событий в блоке за период Ти где оценка параметра F ненадежна, но есть события с большой Е, используется способ оценки развития зон напряженного состояния на основе частости событий Ni в классах по Е^ с показателем избыточности Еа в рамках одного класса.

Построение Карт удароопасности участков шахтного поля заключается в следующем:

- в кубе с линейными размерами 120х120х120 м подсчитывают параметры сейсмической активности (XN - количество сейсмических событий, XЕ -суммарная энергия событий и др.) и относят к центру куба;

- последовательно смещая этот куб с шагом 30 м по всей контролируемой площади, получают значения по соответствующей сетке;

- проводят изолинии сейсмической активности, осуществляя интерполяцию при вычислении промежуточных значений.

Карты удароопасности участков шахтного поля строят в координатах ^ (в плоскости разрабатываемых шахтой угольных пластов), и при необходимости по YZ и XZ (разрезы в крест и по простиранию угольной толщи).

Для шахты «Комсомольская», ОАО «Воркутауголь» применяется методика построения Карт удароопасности по параметру F (коэффициенту удароопасности), определенному для различных участков участков массива шахтного поля (2):

Р = £ Р кк =]Г р к/15

к=0 к=0

Рк = N + Бк , (5)

Б =Х^/^ /22,4

где Dk - сумма деформаций (корней из энергии), отнесенных к деформации события с энергией 500 Дж, за к-й день; Nk

- количество сейсмических событий за к-тый день; Fk = Nk + Dk - суммарное значение показателя F за к-тый день; F -итоговый показатель за 15 дней, предшествующих дню составления прогноза.

В алгоритме построения изолиний количество дней п, предшествующих дню составления прогноза, задаётся от 15 и до 30. Бк для каждого предшествующего дня умножается на коэффициент влияния - к/п, т.е. чем дальше событие от дня прогноза, тем меньше его влияние.

Участок массива шахтного поля покрывается квадратами со стороной 120 м (для поля шахты «Комсомольская», связано с размерами лавы) и со смещением в % длины стороны по обеим осям. Для каждого квадрата вычисляется своё значение Б и берутся координаты центра квадрата. По полученной сетке строятся изолинии. Для выделения удароопасных зон применительно к условиям шахты

—1т

Уровень 0 (ф оновый уровень) - за 15 дней в блоке не произошло крупных сейсмических событий, Р< 5.

Уровень 1 - значение Р< 100 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 1 ООО Дж Уровень 2 - Значение Р находится в диапазоне от 100 до 200 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 5000 Дж.

Уровень 3 - Значение Я находится в диапазоне от до ' или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 10 ООО Дж.

Уровень 4 - Значение Р находится в диапазоне от 400 до 900 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 20 ООО Дж

Ур овень 5 - Значение Я находится в диапазоне от 800 до 1000 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 30 ООО Дж

Уровень 6 - Значение Р превышает 1000 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 35 ООО Дж

Рис. 1. Значения уровней критерия коэффициента удароопасности - параметр ¥

Рис. 2, а. По горизонтам пластов: п ¡4+13+12 и п 14+13+12+ц

Рис. 2,-б: По лавам поля шахты «Комсомольская»

«Комсомольская» получены значения уровней критерия удароопасности (рис. 1). Удароопасными зонами, по нарастанию, считаются области, оконтуренные изолиниями по градации уровней параметра F=4-5-6 (цвет:оранж-красный-синий) и определяются, соответственно, как: «потенциально опасные - опасные-

сверхопасные», по проявлению горных ударов.

Положение изолиний выносят на планы горных работ в виде Карт ударо-опасности участков шахтного поля раздельно по разрабатываемым пластам (рис. 2, а-б).

_

Графики распределений сейсмособытий по: частости N1, классам Е. Оценка критерия удароопасности массива по коэффициенту В

“Интервал накопления-

Г“1ч

F 3 >

Емин. 110000 Емакс. JTÖÖÖÖÖ ^

Количество событий

I

-

I 30 000

щ 25 000 71 20 000 15 000-

«опасно»

Рис. 3. Графики оценки развития зон напряженного состояния массива

В разработанной «Методике прогноза удароопасности состояния массива...» в качестве критерия прогноза удароопасного состяния массива представлен коэффициент В, рассчитанный путем построения кумулятивной зависимости количества событий Nk от энергетического класса Ei, происшедших в установленном объеме (120x120x120) за выбранный период времен.

По совокупности полученных пар значений Na Eicp) рассчитывают коэффициент регрессии В (тангенс угла наклона) по формулам метода наименьших квадратов для степенной функции (Y= No*XB).

Расчет коэффициента В выполняют по формуле:

Hn(Eicp)Zln(Nki) - nZln(Eicp)Zln(Nki)

B = -----------------------------------

(Zln(Eicp))2- n Z'(ln(Eicp))2

Здесь важным условием является, что n - количество пар (Nki, Eicp), в которых Nki > 1.

Значения выводятся на конечную дату (рис. 3).

Выводы

1. Основными параметрами комплексного анализа сейсмической информации, зарегистрированной сейсмостанцией базе системы GITS шахты «Комсомольская», для определения

критериев удароопасного состояния массива с целью разработки «Методики прогноза удароопасного состояния массива... » являются:

• уровень сейсмической активности

- число динамических явлений,

происходящих за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород

• уровень сейсмической энергии

- количество выделившейся энергии за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;

• константы закона повторяемости А и В, которые отражают связь количества динамических явлений N с величиной их сейсмической энергии Е;

• максимальный энергетический класс Кмакс происходящего сейсмического события с энергией Е, измеренной в Джоулях;

• пространственно-временного распределения зон сейсмической активности;

• изменение максимальной плотности сейсмических событий во времени;

1. Яковлев Д.В., Исаев Ю.С., Мулев С.Н. и др. «Аппаратно-программный комплекс «Ge-jlnfo Trans Sistem (GITS) в системах геодина-мического и экологического мониторинга», Междун.конф. «Горная геофизика»,22-25 июня 1998. С-Пб, ВНИМИ.

2. Ломакин В.С., Мулев С.Н., Скакун А.П., Цирель С.В., Беляева Л.И., Лопатков Д.Г., Каплуненко А.К. Методика прогноза удароопасного состояния массива, г. С- Пб, ОАО ВНИМИ, 2007 г.

• градиент нарастания количества сейсмических событий;

• градиент нарастания суммарной энергии;

• одним из основных характерных параметров процесса сейсмической активности является активность Nc - число событий за 15-ти дневный интервал времени регистрации;

• за 15 дней сейсмическая активность достаточно представительно отражает процессы, происходящие в массиве горных пород, контролируемом сейсмостанцией на базе системы GITS.

2. На основе «Методики прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская» разработаны и утверждены территориальными органами Ростехнадзора РФ: Положение о службе геодинамических наблюдений ОАО «Воркутауголь» и Регламент взаимодействия сейсмостанции с техническим руководством угледобывающего предприятия.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Мендецки А. и др. «Плановый сейсмологический мониторинг на горнодобывающих предприятиях», Горный институт УРО РАН, май 2007 г.

4. Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности.- Сб-к. «Проблемы наведенной сейсмичности». - М.; Наука,1994.-с.5-15.

5. Ломакин В.С. Региональный прогноз удароопасности на основе сейсмологических исследований. Дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Л; ОАО ВНИМИ, 1984 г. М

— Коротко об авторе ------------------------------------------------

Беляева Л.И. - Главный геофизик, ФЗАО «Северсталь-Ресурс», г. Воркута.