CC BY
30
© И.Ю. Рассказов, П.Д. Аникин, Г.Ш. Циниашвили, 2013
УДК 662.831.32
И.Ю. Рассказов, П.А. Аникин, Г.Ш. Цициашвили
ПРОГНОЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА МЕСТОРОЖДЕНИИ «АНТЕЙ» ПО ДАННЫМ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Рассмотрены условия и характер динамических проявлений горного давления на глубоких горизонтах месторождения Антей. На основе анализа и обобщения данных геоакустического мониторинга выявлены закономерности изменения параметров акустически активных зон в удароопасном массиве горных пород и предложен комплексный показатель, позволяющий за 1-3 суток надежно прогнозировать опасные динамические явления.
Ключевые слова: Динамические проявления горного давления, геоакустический мониторинг, геомеханическое состояние, массив горных пород, акустически активные зоны, критерий удароопасности, прогноз.
При ведении горных работ в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах одной из наиболее сложных проблем является прогноз и предотвращение динамических проявлений горного давления, которые в ряде случаев имели катастрофические последствия.
Достаточно остро проблема уда-роопасности стоит на расположенном в юго-восточном Забайкалье месторождении урановых руд Антей, на котором зарегистрирован весь спектр динамических проявлений горного давления [1]. Район месторождения приурочен к долгоживущему тектоническому узлу, образованному крупными разломными системами северо-восточного, северо-западного, субширотного и субмеридионального направлений [2].
Месторождение состоит из локализованных в зонах разломов крутопадающих рудных тел субмеридионального простирания мощностью от нескольких до первых десятков метров и протяженностью по глубине до
1500 м. Вмещающими породами являются мелко- и средне зернистые лейкократовые граниты, а также био-титовые граниты и гранитогнейсы. Основными структурными элементами месторождения Антей являются сближенные в пространстве субпараллельные сложно построенные зоны разломов 160 и 13. Они имеют встречные падения и на глубине 750 м практически сливаются, образуя открытый вверх тектонический клин.
Большинство разновидностей пород месторождения, а особенно лей-кократовые граниты, проявляют склонность к упругому деформированию и хрупкому разрушению в динамической форме. По результатам натурных измерений установлено, что в гранитах фундамента действует не-равнокомпонентное поле напряжений. В этом поле преобладают горизонтальные сжимающие напряжения, наибольшие из которых в 1,5-2,5 раза и более превышают гравитационную составляющую от веса налегающей толщи пород. Это указывает на определяющее влияние тектониче-
Рис. 1. Изменение числа динамических проявлений горного давления на месторождении Антей за время его отработки
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
сЬ СЬ О) О) О) О) О) О) О) О) О) О)
/ ^ # / ^ # ^ ^ / / ^ ^ /
ских сил в формировании естественного напряженного состояния геологической среды. Вместе с тем, выявлена значительная неоднородность естественного поля напряжений, параметры которого в различных участках массива варьируют в широких пределах [1].
Разработку месторождения «Антей» осуществляет рудник «Глубокий» Приаргунского производственного горно-химического объединения. В качестве основной применяется система разработки нисходящими горизонтальными слоями с закладной выработанного пространства твердеющими смесями. В зависимости от мощности рудного тела слои отрабатываются одной или несколькими за-ходками непосредственно под искусственной кровлей закладочного массива. Высота этажа между горизонтами 60 м. В соответствии с порядком подготовки и отработки запасов, рудный массив делится на два полублока, отрабатываемых одновременно по
простиранию рудного тела. В настоящее время очистные работы на месторождении достигли глубины 820 м (на XIII горизонте). На ниже лежащих горизонтах ведутся горно-подготовительные работы.
Первые признаки удароопасности на месторождении Антей были отмечены еще на стадии строительства при проходке стволов и разведочно-подготовительных выработок. В последние 10 лет с переходом горных работ на более глубокие горизонты резко возросли количество и интенсивность динамических проявлений горного давления (рис. 1).
По результатам выполненных в 2004-2008 гг. геомеханических исследований были внедрены методы и средства контроля удароопасности и обоснован комплекс профилактических мер [3], что позволило на время снизить число динамических проявлений горного давления при ведении горных работ. Однако интенсивная отработка месторождения и увеличе-
ние выработанного пространства привели к ухудшению геодинамической обстановки на руднике. На фоне постепенного увеличения динамических проявлений резко возросла их энергия. В период с 2010 по 2012 гг. на месторождении Антей зарегистрировано 19 сильных динамических явлений, сопровождавшихся резким сильным звуком, пылеобразованием, сотрясением массива, обрушением заколовшихся плит (объемом от 1 до 1,5 м3), разрушением закладки. В отдельных случаях происходило разрушение почвы выработок, иногда с поднятием и деформированием рельсовых путей. Наблюдения за сдвижением и деформированием массива пород показывают, что в последние годы отмечается рост интенсивности деформационных процессов. На нижних горизонтах величина сближения реперов с базой измерения 10 м достигает 80 мм в год.
29 января 2011 г. в целике блока 6а-1110 12 заходки 11 слоя произошел горный удар, в результате которого из правого борта и почвы разгрузочного штрека № 1 было выброшено более 10 м3 породы, на протяжении 80 м разрушена крепь с поднятием почвы выработки на 5-15 см. По результатам расследования аварии установлено, что под- и надработка целика блока 6а-1110 привели к срыву по контакту с разломами и перемещению в вертикальном направлении рудно-породного блока клиновидной формы, ограниченного с двух сторон тектоническими нарушениями 13 и 160, с выделением значительной энергии, выбросом породы и разрушением крепления разгрузочного штрека, сейсмическими колебаниями, ощущавшимися в поверхностном комплексе рудника.
Анализ причин и факторов динамических проявлений показал, что очаги наиболее крупных из них пространственно приурочены к двум очистным
блокам 6а-1110 и 6а-1102, где сформированные полублочные целики явились концентраторами высоких напряжений. Особенно это проявлялось на участке "сближения" тектонических разломов 13 и 160 [4].
Одними из последних случаев сильных динамических проявлений были 4 следующие друг за другом толчка с акустической энергией от 400 до 2150 Дж, зафиксированные 4 августа 2012 года во время подготовительных работ по разгрузке удароопасного массива в блоке 6а-1102. Они сопровождались резким сильным звуком, пылеобразова-нием и сотрясением массива. В результате этих динамических явлений было полностью разрушено 18 из 40 разгрузочных скважин, пробуренных в целике блока 6а-1102, а в районе остальных обнаружены многочисленные трещины.
Для оценки геомеханического состояния массива на глубоких горизонтах месторождения «Антей» с 2006 г. применяется разработанная в ИГД ДВО РАН многоканальная цифровая автоматизированная геоакустическая система контроля горного давления «Ргодпся-АОБ», которая позволяет регистрировать и определять параметры АЭ-событий в частотном диапазоне 0,5-12 кГц. В настоящее время наблюдательная сеть «Ргодпог-АйБ» состоит из 19 цифровых приемников акустических импульсов, установленных в скважинах, пробуренных из горных выработок IX, X, XI и XII горизонтов рудника «Глубокий» на глубине 570-770 м от дневной поверхности.
По результатам геоакустического контроля формируется база данных о параметрах регистрируемых геоакустических событий, строятся карты акустической активности контролируемых участков массива горных пород (рис. 2), которые являются основой для осуществления текущего и перспективного прогноза удароопасности на руднике.
В участках массива, где происходит интенсивное деформирование пород, наблюдается формирование акустически активных зон (ААЗ), характеризующихся рядом параметров, по изменению которых можно судить об особенностях геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород. На основе обобщения данных сейсмоа-кустического мониторинга на глубоких горизонтах месторождения Антей установлено, что усложнение геомеханической ситуации сопровождается: ростом числа сейсмоакустических событий и количества упругой энергии выделяемой в пределах ААЗ; сокращением расстояния и времени между регистрируемыми соседними очагами АЭ-событий; уменьшением скорости миграции ААЗ (до 1-2 м/сут).
В частности, анализ экспериментальных данных, полученных в период июля-августа 2012 г., показал, что перед динамическими проявлениями 04.08.2012 г. суточная суммарная энергия источников САЭ увеличились более чем в 3 раза по сравнению с предыдущим периодом. В отдельные дни она превышала значения 1500 Дж/сут. В несколько раз (до 70 и более в сутки) увеличилось число сейсмоакустических событий. Величина показателя концентрации очаговой зоны Нср уменьшилась с первоначальных 12-17 до 8-6 в последние 1-3 суток перед динамическим проявлением. Показатель Куд в этот период достигал значений 30,9 и более. С 31.07.2012 г. скорость миграции ААЗ снизилась с 19 до 2 м/сутки.
По результатам детального изучения изменения различных параметров геоакустических волновых полей в высоконапряженных породах предложен комплексный показатель удароопасно-сти Куд, который представляет собой отношение нормированных значений суммарной энергии и числа САЭ-событий в ААЗ к нормированным зна-
чениям расстояния и времени между последующими событиями и скорости
миграции центра ААЗ: „ = ^
аз аз
-уд
^срр ^ срр ^ аз
где Еаз - суммарная энергия в активной зоне, Дж; Маз - количество САЭ-событий в активной зоне; Ясрр - расстояние между последующими САЭ-событиями, м; ^рр - время между последующими САЭ-событиями, с; Vаз -скорость миграции центра активной зоны, м/сут.
Для выявления критических значений комплексного показателя Куд, которые соответствуют переходной стадии геомеханического состояния массива горных пород, выполнен статистический анализ экспериментальных данных с использованием распределения Стержеса [5]. Для построения интервально вариационного ряда значений Куд были выбраны данные по ААЗ в блоках рудника 6а-1110 и 6а-1102, где наиболее интенсивно велись горные работы и зарегистрирована основная часть АЭ-событий, что позволило сократить объем выборки. В указанных блоках в период 2010-2012 гг. было зафиксировано 13 крупных динамических проявлений горного давления в виде горных ударов, толчков и техногенной сейсмичности (серия толчков за одни сутки в одном очистном блоке принимается за 1 проявление). Всего после выборки в ряд попало 310 АЭ-событий. В соответствии с методом Стержеса было выбрано 15 интервалов и рассчитаны число попавших в интервал АЭ-событий и их частота относительно числа динамических проявлений в этом интервале (табл. 1).
*Показатель Куд нормируется к среднему значению входящих в него параметров за 5 предыдущих суток.
Н, м 180
120
60
—1— с_
в блок 6а-1006
*
&_ ф р
п
-—
77100
77200
X, М
Рис. 2. Пространственное распределение очагов сейсмоакустических событий, зарегистрированных в течение суток на месторождении Антей до и после горного удара 29 января 2011 г. (в проекции на вертикальную плоскость)
Таблица 1
Распределение АЭ-событий по интервалам значений Куд вариационного ряда экспериментальные данный
№ интервала Интервал значений К,д Частота АЭ-событий в интервале
1 <0,002 0,0556
2 0,002...0,138 0,0323
3 0,138... 1,896 0,0067
4 1,896.2,642 0,0385
5 2,642.5,116 0,0323
6 5,116...5,68 0,1667
7 5,68.6,693 0,125
8 6,693.6,875 0,3333
9 6,875.8,799 0,0909
10 8,799.13,627 0,0909
11 13,627.16,625 0,5
12 16,625.36,475 0,1
13 36,475.45,077 1,0
14 45,077.99,836 0,3333
15 >99,836 0
Таблица 2
Характер динамических проявлений и особенности сейсмоакустической активности в период их подготовки на месторождении «Антей»
Вид динами- Акустическая Число суток до Наблюдался эф-
Дата ческого про- энергия собы- проявления, при фект «затишья» в
явления тия, Дж Куд>5 течение 1-2 суток
16.02.2010 Толчок 2857 4 +
18.02.2010 Толчок - 2 +
28.03.2010 Толчок 1474 3 +
01.04.2010 Толчок - 4 +
04.06.2010 Толчок 1100 3 +
12.06.2010 Толчок 935 1 -
11.11.2010 Толчок 887 1 -
29.01.2011 Горный удар 2257 3 +
07.05.2011 Толчок - 2 -
31.05.2011 Горный удар 5712 5 -
16.01.2012 Толчок 2596 1 -
25.04.2012 Толчок 4432 4 +
09.07.2012 Толчок 1236 3 -
18.07.2012 Толчок 874 2 -
04.08.2012 4 Толчка 2150 4 +
Итого 15 среднее 3 8 (54%)
В процессе вариационного анализа установлено, что подавляющее число динамических проявлений с высокой энергией (всего 12 событий - 92 % от их общего числа на этом участке горного массива) произошло при значениях показателя Куд>5,116 (6 интервал). При этом наблюдалось резкое (более чем в 5 раз) увеличение
частоты событий. Величина показателя Куд>5 после апробации принята в качестве порогового значения.
Анализ экспериментальных данных показал, что практически во всех случаях перед динамическими проявлениями наблюдался рост показателя Куд, величина которого за 1-3 суток превышала пороговое значение (рис. 3).
б)
в)
Рис. 3. Изменение комплексного показателя Куд перед динамическими проявлениями в 2012 г. на месторождении «Антей»: а - без эффекта «затишья»; б - с «затишьем» 1 сут.; в - с «затишьем» 2 сут.
После динамического проявления происходит спад показателя до фонового уровня.
В отдельных случаях рост Куд завершался динамическим проявлением средней силы (рис. 3, а). В других (более 50 % случаев), - за 1-4 суток до события наблюдался период резкого
снижения показателя Куд до минимальных значений - так называемый эффект «затишья», хорошо известный в сейсмологии [6-8], а затем, - повторный рост Куд - вплоть до динамического проявления (рис. 3, б-в и табл. 2). При таком характере проявления сейсмоакустической активности
происходили наиболее сильные и разрушительные динамические проявления. Подобное поведение горных пород мы ранее наблюдали в процессе лабораторных исследований, объясняя различие в характере разрушения и проявления акустической эмиссии механическими свойствами пород и условиями их нагружения (ростом деформаций) [9].
По результатам математического анализа полученных в 2010-2012 гг. экспериментальных данных с применением комбинаторной теории вероятности установлено, что использование комплексного показателя ударо-опасности (категория «Опасно» устанавливается при Куд>5) и учет эффекта «затишья» обеспечивают высо-
1. Рассказов И.Ю., Саксин Б.Г., Петров Б.А., Просекин Б.А. Геомеханические условия и особенности динамических проявлений горного давления на месторождении Антей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 3. С. 3-14.
2. Рассказов И.Ю., Саксин Б.Г., Аникин П.А. Особенности природно-техногенной геодинамической структуры месторождения Антей и ее влияние на формирование уда-роопасности // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во «Мир горной книги», 2010. № 9. С. 122-127.
3. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождении «Антей», опасном по горным ударам / А.Н. Шабаров, И.Ю. Рассказов, А.А. Филинков и др. -СПб.: СПбГГИ, 2008. - 71 с.
4. Аникин П.А. Оценка геомеханического состояния удароопасного массива горных пород по результатам геоакустического мониторинга на месторождении «Антей» //
кую достоверность (с вероятностью 84,4 %) прогноза опасных динамических проявлений горного давления в условиях глубоких горизонтов месторождения Антей.
В целом, результаты геоакустических наблюдений в условиях действующего рудника «Глубокий», позволили выявить ряд важных закономерностей формирования геоакустических волновых полей в разрабатываемом горном массиве, составить практически значимое представление о его геомеханическом состоянии и, выделяя потенциально удароопасные участки рудничного поля, создать условия для эффективного прогноза динамических проявлений горного давления.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Проблемы недропользования: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. - С. 421-431.
5. Ефимова М.Р., Петрова Е.Б., Румянцев Б.Н. // Общая теория статистики. - М.: ИНФРА-М, 2007. 416 с.
6. Нерсесов И.Л., Пономарев Б.С., Тей-тельбаум Ю.М. Эффект сейсмического затишья перед сильным землетрясением // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 149-169.
7. Биноградов С.Д. , Пономарев Б.С. Экспериментальное изучение сейсмического режима// Журнал Природа.- 1999. № 3. С. 77-89.
8. Соболев Г.А, Пономарев А.Б. Физика землетрясений и предвестники // Отв. ред. В.Н. Страхов. М.: Наука, 2003. 230 с.
9. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках. Владивосток: Даль-наука, 2001, 169 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Рассказов Игорь Юрьевич - доктор технических наук, директор, Аникин П.А. - научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН,
Цициашвили Гурами Шалвович - доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института прикладной математики ДВО РАН, г. Владивосток.
