Анализ сейсмичности и эволюции геомеханических полей с учетом структуры разломных нарушений породного массива Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АНАЛИЗ СЕЙСМИЧНОСТИ И ЭВОЛЮЦИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С УЧЕТОМ СТРУКТУРЫ РАЗЛОМНЫХ НАРУШЕНИЙ ПОРОДНОГО МАССИВА

Нелли Александровна Мирошниченко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: [email protected]

Евгения Викторовна Васильева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: [email protected]

По предложенной авторами методике на основе корреляционного анализа данных о техногенной сейсмичности и модельной информации об эволюции геомеханических полей установлены пространственно-временные количественные соотношения между параметрами напряженно-деформированного состояния и числом и энергией динамических событий высокого энергетического класса. Расчеты проведены для условий Таштагольского месторождения.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, техногенная сейсмичность, корреляционный анализ, объемная геомеханическая модель.

ANALYSIS OF SEISMICITY AND GEOMECHANICAL FIELD EVOLUTION CONSIDERING FAULTING STRUCTURE OF ROCK MASS

Nelli A. Miroshnichenko

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Ph. D., Researcher Mining Informatics Laboratory, tel: (383) 217-09-30, e-mail: [email protected]

Evgenia V. Vasileva

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Pr., Junior Researcher Mining Informatics Laboratory, tel: (383) 217-09-30, e-mail: [email protected]

According to the procedure proposed by the authors, the space-time quantitative relations between the rock mass stress-strain state parameters and the number and energy of high-power class seismic events were established based on the correlation analysis of data on mining-induced seismicity and model information on the geomechanical field evolution. The calculations are made in terms of the Tashtagol deposit.

Key word: stress-strain state, induced seismicity, correlation analysis, 3D geomechanical model.

Длительная и интенсивная эксплуатация месторождений приводит к значительной активизации геодинамических процессов. С ростом глубины развития горных работ повышается не только частота и интенсивность динамических

проявлений горного давления, но и происходят их качественные изменения от локальных очагов горных ударов и внезапных выбросов, до крупных горнотектонических ударов, проявляющихся со значительным сейсмическим эффектом. За последние 20 лет на Таштагольском железорудном месторождении при проведении горных работ зарегистрировано более тысячи проявлений горного давления в динамической форме с энергией 104 ^ 109 Дж, в том числе 13 горных ударов.

Выполненный анализ шахтной сейсмологической информации с 1987 по 2009 гг. показывает, что очаги проявления динамических событий концентрируются в пределах шахтного поля в разрабатываемой на тот период части месторождения (рис. 1).

Рис. 1. Сейсмические события и их энергия за период 10 и 20 лет (гор. -140 м)

Самые высокие риски, как известно, исходят от геодинамически активных и сейсмогенных разломов, индуцирующих природные и техногенные землетрясения с большими разрушительными последствиями.

Для анализа эволюции полей напряжений Таштагольского месторождения взята объемная конечноэлементная модель [1]. Моделируемая область с размерами 2800^2400x1000 м по соответствующим осям координат (рис. 2) и верхней границей, расположенной на отметке ±0 м, полностью расположена внутри

Таштагольского блока, и учитывает нарушения, которые явно трассируются по крайней мере по двум независимым источникам [2,3] и полностью пересекают исследуемую область.

Разлом ные нарушения

Рис. 2. Конечноэлементная модель Таштагольского месторождения

С использованием геомеханической модели и планов горных работ рассчитаны поля напряжений по состоянию на 1978, 1989, 1999 и 2009 гг.; промежуточные значения компонентов тензора напряжений получены линейной интерполяцией с шагом один год. Следует отметить, что минимальные значения компонент напряжений характерны для области выработанного пространства, максимальные найдены в окрестности фронта очистных работ и вблизи нарушений. При удалении от фронта работ поле напряжений практически неизменно во времени. Модель позволяет не только получить количественную оценку геоме-ханических полей с учетом изменения конфигурации выработанного пространства, но и установить связь между изменениями напряженно-деформированного состояния и параметрами техногенной сейсмичности - числом, местоположением очагов динамических событий и их суммарной энергией.

Для проведения пространственно-временного анализа шахтное поле модели было разбито на блоки 400 м по оси у, 70 м по оси г (в соответствии с высотой этажа отработки) и переменного размера по оси х с учетом конфигурации разломных нарушений (рис. 3). Такое разбиение исследуемого пространства дало возможность получить репрезентативную выборку по событиям высокого энергетического класса (104^109 Дж).

2400. м

_ -140 2 -210 Е -280

§ -350 І -420

Є

0

-70

2800, м

горпюнты ведения горных работ

расположение рудных тел

Рис. 3. Схема разбиения расчетной области на блоки

Для каждого блока В і, і = 1 , 3 0 в его проекции на все рабочие горизонты шахты (±0 м ^ -350 м) рассчитана интегральная характеристика напряженного состояния на момент времени =1989, 1990,..., 2009 (к = 1...21):

вычислены суммарные значения сейсмической энергии Е^{Ь к) = Е и ко-

личество динамических явлений Л^{ Ь к) =N {В^^к) высокого энергетического класса. На основе этих данных выполнен расчет коэффициентов корреляции между напряжениями в блоке В * и: 1) числом и 2) энергией сейсмособытий в блоке В j:

Результаты обобщенного анализа представлены на рис. 4.

Темно-серым оттенком показаны отрицательные значения, светло-серым -положительные, белым - блоки, где | г Iу | < 0 . 5 ; 1-1У - разломные нарушения Результаты корреляционного анализа позволяют проследить тенденции развития динамической обстановки на руднике.

Все значимые коэффициенты корреляции для событий высокого энергетического класса найдены для блоков №№ 8-10, 13, 14, 17, 18, относящихся к зоне отработки и расположения стволов рудника ( | | £[0.52,0.81]).

Ек(Ті(£к) Ті)(Е](Ріі) Е])

а

б

2400

У, м

2000

1600

1200

800

400

I II III IV

У, м

26 /21 /Ь/ЪЪ 2400- 26 ^ /и

21 /22 Ц/25 21 / [£

1 о 16 / Жо

11 /12 /13//15 11 С /з/Х

6 1 / М10 6 / /К

1 /2 /3/4/5 х,м п 1 ! /71

X, м

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800

400 800 1200 1600 2000 2400 2800

в

Рис. 4. Распределение коэффициентов корреляции г/у (а,б) и г/- (в,г).

ч

г

С увеличением объема выработанного пространства происходит понижение значений касательных напряжений в блоках, расположенных в зоне ведения горных работ. При этом снижаются и число крупных динамических событий и соответствующее им количество выделившейся сейсмической энергии (например, значения г^3.±4, г£.±3 на рис.4а,в - положительные). Исключение составляют блок 9 (гор. -280 м, -350 м) и блок 17 (гор. ±0 м, -70 м), в которых наблюдается рост числа событий высокого энергетического класса ( -

отрицательные).

В то же самое время развитие горных работ обусловливает повышение касательных напряжений в блоках, примыкающих к очистному пространству, вследствие концентрации напряжений в окрестности полостей, вызывая рост динамических проявлений горного давления (г/7.±8 ,. . . , г/7.8 на рис.4б - положительные). Наибольшее влияние на сейсмическую активность оказывает блок 17.

Обнаруженные тенденции хорошо согласуются с реальными фактами развития геодинамической обстановки на руднике, описываемыми в [4]. Так, например, при проведении ортовых выработок в районе диагонального разлома на Таштагольском руднике наблюдались случаи стреляний, толчков и микроударов (рис. 4 - разломы II, III модели). Аналогичные явления были отмечены при проведении ствола шахты «Западная» и его околоствольных выработок

(разлом I). С течением времени развитие фронта очистных работ, преимущественно в глубину, активизировало зону пересечения диагонального разлома с пологопадающей зоной (блоки 9-10 рис. 4) и создало предпосылки для возникновения горнотектонических ударов. Расширение же фронта очистных работ по простиранию месторождения привело к изменению геомеханической ситуации на месторождении, активизации разлома, пересекающего ствол шахты «Западная», и в итоге к возникновению горнотектонических ударов в этом районе (разлом I, блок 17).

Таким образом, представленная методика пространственно-временного-анализа может быть использована для оценки сейсмической опасности на руднике и при разработке соответствующих профилактических мероприятий, снижающих риск непрогнозируемых мощных динамических явлений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дементьев А.Д., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Деформирование и разрушение природных объектов. Новосибирск: Новосиб. гос. аграр. ун-т, 2001.

2. Ефремов В.Н. Трещинная тектоника и поля напряжений на месторождениях юга прикузнецкого железорудного района // Геология и геофизика. - 1987. - №3. - С. 40-44.

3. Язбутис Э.А. Таштагольско-Кочуринское рудное поле. Железорудные месторождения Алтае-Саянской горной облати, т.1, кн. 2: Описание месторождения. - М.6 Изд-во АН СССР, 1959. - С. 281-301.

4. Геодинамика месторождений: Сб. науч. тр. / под ред. И.М. Батугиной и И.М. Петухова: Кузбас. политехн.ин-т. - Кемерово, 1990. - 123с.

© Н.А. Мирошниченко, Е.В. Васильева, 2013