CC BY
85
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 3/4 (8/9)
25.00.00 Науки о земле
УДК 662.831.32. И.Ю. Рассказов
Рассказов Игорь Юрьевич - д.т.н., директор (Институт горного дела ДВО РАН, Хабаровск). E-mail: [email protected]
ГЕОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕДВЕСТНИКИ ГОРНЫХ УДАРОВ
Рассмотрены основные положения геоакустического метода контроля удароопасного массива горных пород и технические средства для его реализации, включая разработанный измерительный комплекс нового поколения «Prognoz-ADS». Приведены результаты экспериментальных исследований удароопасности с применением геоакустического метода на опасных по горным ударам месторождениях дальневосточного региона России. Изложены научно-методические подходы и прогностические признаки для оценки состояния массива по параметрам и характеру проявления акустической эмиссии.
Ключевые слова', горные удары, геоакустический метод, системы контроля горного давления, предвестники разрушения.
Geoacoustic precursors of rock bursts. Igor Y. Rasskazov (Mining Institute, FEB RAS, Khabarovsk).
The main points of geoacoustic method of control of burst - hazard rock massif and technical means of its realization are considered in the article. The new generation measuring complex «Prognoz-ADS» was developed. The experimental results of burst - hazard on burst prone deposits of the Far Eastern region of Russia were given. Data were obtained with the application of geoacous-tic method. Scientific - methodological approaches and prognostic characteristics for the assessment of massif state according the parameters and character of acoustic emission were discussed.
Key words: rock bursts, geoacoustic method, systems of control of rock pressure, precursors of destruction.
Для контроля состояния высоконапряженного массива горных пород с целью прогнозирования опасных проявлений горного давления широкое применение получили геофизические методы, среди которых стоит выделить микросейсмический и геоакустический. Первый основан на регистрации сейсмических соЛ
бытий с энергией от 10 Дж и более в частотном диапазоне от 0,1 до 500 Гц. Реализация этого метода предполагает создание в районе отрабатываемого месторождения стационарных сейсмостанций, которые в настоящее время эксплуатируются на многих крупных горнодобывающих предприятиях России и мира.
Регистрация сейсмособытий позволяет оценить характер геомеханических и геодинамических процессов в пределах одного или нескольких шахтных полей, но не дает возможности выявить более мелкие акустические импульсы, излучаемые массивом на более ранних стадиях деформирования и разрушения горных пород. Тем самым затруднено прогнозирование начала стадии подготовки динамических явлений, что часто приводит к дефициту технологического времени на принятие решений и проведение превентивных мероприятий по их предотвращению. В связи с этим возникает необходимость наряду с микросейсмическим использовать геоакустический метод - с более высокой «разрешающей способностью». Его важным достоинством является возможность наблюдений за развитием процесса формирования очагов разрушения непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза динамических явлений. С помощью геоакустического метода можно осуществлять (в зависимости от применяемых технических средств) как локальный, так и региональный контроль состояния массива горных пород.
Вопрос о привлечении геоакустического метода для контроля массива горных пород, также как и вопрос создания технических средств для его реализации, интенсивно разрабатывается начиная со второй половины прошлого века [1, 2, 14 и др.]. Метод основан на регистрации акустической эмиссии (АЭ) в диапазоне частот 0,2...20 кГц, возникающей в горных породах вследствие концентрации в них механических напряжений, сопровождающейся структурными изменениями материала, а также вследствие появления и роста в нем микротрещин
разрушения. Образующиеся трещины и очаги разрушения именно этого размера могут быть ответственными за потерю устойчивости характерных контролируемых участков массива горных пород и сооружений.
Экспериментально выявлен заметный рост АЭ при переходе деформаций от упругих к запредельным - разрушающим. Согласно доказанной и развиваемой концепции прочности геоматериалов, процесс разрушения участков массива горных пород, как и любого твердого тела, протекает в несколько стадий [4].
На начальной стадии нагружения в материале происходит хаотичное накопление дефектов (микротрещин), появление и рост которых сопровождается излучением упругих импульсов (и АЭ), распространяющихся по всему объему твердого тела. Регистрируемые на его поверхности сигналы АЭ имеют форму затухающих гармонических колебаний и могут на этой стадии проявляться как в виде отдельных акустических импульсов (дискретная АЭ), так и в виде шумопо-добного сигнала (непрерывная АЭ), образующегося при слиянии сигналов от многих одновременно формирующихся трещин. На последующих стадиях наблюдается возникновение и слияние так называемых ансамблей (кластеров) близкорасположенных трещин, в результате формируются более крупные разрывы. Разрушение на разных стадиях и переход к разрушению на следующем масштабном уровне происходят самоподобно.
Переход разрушения в очаговую стадию характеризуется ускорением процесса накопления дефектов и нарушением стационарности. Заключительным этапом разрушения является бурный ("лавинообразный") процесс прорастания трещин, завершающийся разупрочнением материала и преобразованием его потенциальной энергии в кинетическую (разлет осколков, выброс горной массы, подвижку породных блоков).
На образцах пород некоторых месторождений авторами и целым рядом других исследователей установлены закономерности изменения характера излучения акустических импульсов на различных стадиях нагружения пород, вплоть до их разрушения. Закономерности дают возможность оценивать геомеханиче-
ское состояние горных объектов по параметрам регистрируемых акустических импульсов.
Сложившиеся в настоящее время представления о массиве горных пород как о литологически и структурно неоднородной среде, требуют более совершенного инструмента обработки результатов измерения и анализа не только основных параметров регистрируемого сигнала АЭ, но и ряда их вариационных показателей (в частности пространственных, временных, их производных и градиентов, вариаций фазово-частотных спектров, параметров затухания и поглощения сигнала и т.п.). Основные параметры акустической эмиссии, интерпретация которых позволяет получать информацию о состоянии горного массива и его удароопасности, приведены в таблице 1 [3].
Таблица 1
Прогностические признаки критического состояния массива по параметрам и характеру проявления акустической эмиссии
№ п/п Наименование признака Параметры сигналов АЭ и их изменение перед разрушением
1 Число импульсов дискретной АЭ Порядковый номер сигнала АЭ 0
2 Активность АЭ, т.е. количество импульсов АЭ зарегистрированных в течение определенного интервала времени ^ время регистрации ьго сигнала (Ъ)
3 Время ожидания сигнала АЭ, т.е. среднее для выборки из N импульсов время между после довательными импульсами дискретной АЭ (Тож) 1, Ъ, границы выборки (Ы)
4 Суммарный счет АЭ, т.е. количество превыше ний заданного уровня сигналом АЭ Порядковый номер превышения (])
5 Скорость счета АЭ, т.е. количество превыше ний заданного порогового уровня сигналом АЭ в течение определенного интервале времени
6 Локализация источников АЭ, т.е. плотносп пространственного распределения источнико! АЭ ^ координаты источника ьго сигнала Уь zi)
7 Концентрированность источников АЭ, т.е плотность пространственно-временного рас пределения источников АЭ
8 Форма сигнала АЭ В некоторых случаях отмечается возникновение квазирезонансов, появление "кооперативных" явлений, обусловленных совмещением ряда импульсов АЭ
№ п/п Наименование признака Параметры сигналов АЭ и их изменение перед разрушением
9 Амплитуда сигнала АЭ (А) Увеличивается средняя амплитуда, появляются сигналы с амплитудами на один-два порядка больше фоновых. Вы-полаживание графика повторяемости, рост дисперсии амплитуд
10 Энергия сигнала АЭ (Е) Изменяется аналогично амплитуде сигнала
11 Отношение длительности и амплитуды сигнал; АЭ (Т/А) Увеличивается доля сигналов с аномально большим соотношением длительности и амплитуды сигналов
12 Длительность переднего фронта (время роста трещины) (Т) В среднем возрастает
13 Длительность сигнала АЭ (Т) Увеличивается
14 Полярность первого вступления Изменяется на некоторых датчиках
15 Спектральный состав Отмечается сдвиг спектральной плотности в сторону низких частот. В ряде случаев на фоне замолкания низкочастотных сигналов появляются сигналы высокой частоты
16 Видимая частота Снижается
17 Соотношение амплитуды сигналов АЭ низко частотного и высокочастотного диапазонов Увеличивается
18 Скорость распространения упругих волн Рост скорости продольных волн, бухто-образное изменение отношения скоростей продольных и поперечных волн
19 Затухание упругих волн Снижение и последующий рост коэффициента затухания, усиление анизотропии затухания
20 Поляризация поперечных волн Изменение соотношения амплитуд SV-и SH-волн, изменение их скоростей
Эффективность геоакустического контроля во многом зависит как от возможностей применяемой измерительной техники, так и от объективности интерпретации результатов измерений, надежности и обоснованности используемых критериев состояния массива горных пород.
Принципы построения и основные характеристики
современных геоакустических измерительных комплексов
В настоящее время накоплен значительный опыт разработки и применения в условиях действующих горнодобывающих предприятий методов и аппаратуры контроля геомеханических процессов в массиве горных пород, основанных на регистрации и анализе упругих импульсов звукового диапазона частот (акустической эмиссии).
Среди известных в настоящее время технических средств контроля массива горных пород наиболее широко представлены приборы и аппаратура для пассивной локации и измерения энергии источников АЭ, детальный обзор которых приведен в работе [6]. Они представляют собой многоканальные устройства, имеющие независимые или взаимозависимые каналы приема с пространственно разнесенными или локально установленными приемными преобразователями, число которых изменяется от 4 до 24 и более. Положение источника АЭ определяется по разности вступления волн, а энергия - на основе косвенных измерений амплитуд принятых сигналов. Точность этих определений зависит от типа и характера развития источника, уровня технологических помех в зоне контроля, степени нелинейности характеристик среды, в которой распространяются колебания, параметров установки приемной антенны, качества приемки и обработки сигналов и алгоритмических погрешностей методов расчета.
Анализ опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления и тенденций их развития свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование методов и технических средств в данной области в значительной степени связано с разработкой информационно-компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность процесса контроля. Использование микропроцессорной техники и современного программного обеспечения дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды, но и обеспечить необходимую степень их компьютерной обработки и интерпретации.
На основе анализа и обобщения литературных данных и электронных информационных ресурсов и проведенного патентного поиска в области системотехники, информационных технологий и построения измерительно-вычислительных комплексов, в ИГД ДВО РАН была разработана и технически реализована концепция построения цифровой и программируемой системы геоакустического мониторинга массива горных пород «Prognoz-АDS». Система состоит из подземной и поверхностной частей и включает цифровые приемные преобразователи, объединенные в одном блоке ретранслятор, источник питания и синхронизатор, многопортовый расширитель ЯБ-485 и центр приема и обработки потока АЭ-импульсов, управления датчиками и контроля всех узлов и трактов системы на базе персонального компьютера.
Одним из основных элементов системы являются цифровые приемники акустических сигналов (ЦП), в которых формирующиеся на выходе преобразователя аналоговые сигналы оцифровываются, буферизируются, обрабатываются и передаются по цифровым каналам связи в размещаемый на поверхности управляющий системой центральный компьютер. Важное достоинство разрабатываемого аппаратно-программного комплекса состоит в применении промышленного цифрового интерфейса ЯБ-485 в системе передачи данных, что допускает последовательное соединения датчиков и существенно упрощает схему их коммутации.
В системе предусмотрено 8 линий связи, на каждую из которых можно подключить последовательно до 4-х цифровых приемников. В месте, наиболее удобном для разветвления линий, устанавливается электропитающее устройство (ЭПУ). Кроме основной функции, оно обеспечивает ретрансляцию цифровых потоков с целью повышения скорости приема-передачи данных и увеличения дистанции до датчиков.
На рисунке 1 представлена функциональная схема цифрового приемника акустических импульсов.
Излучаемые горным массивом акустические волны поступают на стандартные первичные преобразователи (1), в которых в качестве чувствительного
элемента используется демпфированная сдвоенная пьезокерамика D20x10 мм. Непосредственно около чувствительного элемента располагается предварительный усилитель (2), в задачу которого входит согласование высокоомного выхода пьезокерамики со входом цифрового приемника.
Рис. 1. Функциональная схема цифрового приемника акустических импульсов в системе геомеханического мониторинга. 1 - первичный преобразователь акустических сигналов в электрические (пьезоэлемент); 2 - предварительный усилитель; 3 - согласующий усилитель -фильтр; 4 - буферная память цифрового приемника; 5 - аналого-цифровой процессор; 6 -цифровой процессор обмена данными; 7 - имитатор контрольного акустического импульса; 8 - устройство запуска имитатора; 9 - блок питания; 10 - схема синхронизации часов реального времени; 11 - гальваническая развязка RS-485
С целью обеспечения непрерывного контроля состояния системы в преобразователе устанавливается имитатор контрольного акустического импульса (7) и устройство его запуска (8), позволяющие тестировать датчики. Периодически, когда позволяет акустическая обстановка, с ПК выдаются команды на запуск имитации акустического импульса. Отклик преобразователя записывается в буферную память цифрового приемника и передается на поверхность для дальнейшей обработки. Анализ формы отклика позволяет судить об основных характеристиках приемного преобразователя: чувствительности, качестве контакта с горным массивом и др. Кроме того, тестируется весь тракт приема передачи сигналов.
Преобразователь и блок цифровой обработки АЭ-сигналов располагаются в установочной скважине, на расстоянии не более 3-5 м друг от друга. Согласующий усилитель-фильтр (3) предназначен для защиты аналого-цифрового процессора от случайных перенапряжений. Кроме того, с целью оптимизации суже-
ния полосы пропускания в периоды появления низкочастотных помех в цифровом приемнике имеется возможность регулировки полосы пропусканиия. Нижняя частота среза фильтра устанавливается в пределах 250-300 Гц, для исключения негативного влияния акустических и электромагнитных помех, особенно интенсивных в диапазоне 50-100 Гц. Для обеспечения обработки сигналов с большим диапазоном введено три одинаковых фильтра, которые отличаются только входными сигналами. На первый канал поступают сигналы 1:1, на второй - 1:16, на третий - 1:256.
С выхода усилителя-фильтра сигналы поступают на многоканальный вход аналого-цифрового процессора (5). В качестве основного обрабатывающего узла выбран современный микроконтроллер C8051F121 фирмы «Silicon laboratories (SYGNAL)».
В цифровом приемнике предусмотрена буферная память (4) для хранения формы нескольких акустических сигналов. Применение одномегабитной ОЗУ позволяет осуществить буферизацию 32 сигналограмм регистрируемых акустических импульсов. Буферизация необходима для рационального использования цифровых каналов связи.
Для разгрузки аналого-цифрового процессора, в цифровом приемнике функции обмена (выделение собственного адреса, прием передача команд и данных) возложены на отдельный цифровой процессор обмена (6) C8051F236 той же фирмы, что и сигнальный процессор к достоинствам которого относится невысокая стоимость, наличие встроенных функций последовательного обмена, а также универсальная система команд ядра Х51.
Обмен цифрового приемника с ПК осуществляется на основе промышленного интерфейса RS-485. Для защиты аппаратуры от высокого напряжения предусмотрена гальваническая развязка (11).
Источник питания (9) необходим для питания цифрового приемника переменным напряжением 122 Гц, что позволяет одновременно формировать ряд необходимых напряжений, а также обеспечить гальваническую развязку по цепям питания. Особенностью данного блока является совмещение цепей передачи пи-
тания с синхрочастотой. Питающая частота поступает на схему синхронизации часов реального времени (10). Момент перехода сигнала питания через нулевой уровень соответствует моменту синхронизации счетчика времени.
Работа системы осуществляется с использованием специально разработанных алгоритмов и программного обеспечения [8, 9].
Эксплуатация системы геомеханического мониторинга «Prognoz-АDS» показала, что в сравнении с известными аналогами система обеспечивает более высокую скорость обмена данных в многоканальном режиме, измерение большего числа параметров АЭ и возможность эффективного геоакустического контроля в сложной помеховой обстановке действующего горнодобывающего предприятия.
Результаты экспериментальных исследований удароопасности геоакустическим методом на месторождениях Дальневосточного региона
Экспериментальные исследования удароопасности в разрабатываемых горных массивах в последние годы выполняются в условиях опасных по горным ударам полиметаллических месторождений Николаевском и Южном (ОАО «ГМК «Дальполиметалл») и на урановом месторождении «Антей» (ОАО «При-аргунское производственное горно-химическое объединение»). Исследования включали: измерения параметров сейсмоакустической активности массива горных пород с применением аппаратуры «Гроза-16» (установленной на глубоких горизонтах Николаевского и Южного месторождения), цифровой системы геоакустического мониторинга «Pшgmz-АDS» (действующей на месторождениях «Антей» и Николаевском), визуальные наблюдения за динамическими проявлениями горного давления в горных выработках, измерения деформаций на станциях контурных и глубинных реперов, а также оценку удароопасности геомеханическим методом (основанном на анализе дискования керна скважин).
На Южном месторождении акустическую активность регистрировали с использованием 10 геофонов аппаратуры «Гроза-16», установленных на нижних горизонтах рудника (ниже горизонта 550 м) в верхней и нижней частях очистных
блоков 3-217, 4-217, 6-217, 7-217 и 8-217. По результатам исследований в 20092011 гг. в среднем выявлялось более 20 случаев превышения критических значений интенсивности акустической эмиссии, которые для условий Южного месторождения составляет 120 импульсов за 15-минутный интервал в частотном диапазоне 0,6-10 кГц. В целом более высокие значения акустической активности отмечались в период после взрывных работ вблизи междукамерных целиков в районе активных тектонических нарушений (тектонические зоны Эльдорадо и Западная).
На Николаевском месторождении, шахтное поле которого значительно превышает Южное месторождение, наряду с аппаратурой «Гроза-16» дополнительно установлена система геомеханического мониторинга «Prognoz-АDS», которая обеспечивает возможность определять местоположение и энергию источников АЭ в массиве горных пород.
Экспериментальные сейсмоакустические наблюдения включали: регистрацию количества естественных акустических импульсов, определение их параметров (координат и энергии) и формирование каталогов (баз данных) АЭ-событий; составление карт сейсмоакустической активности, совмещенных с планами горных работ (карты регионального прогноза удароопасности); прогнозная оценка состояния массива по данным геоакустического контроля.
По результатам экспериментальных исследований установлено, что в последние годы в различные периоды наблюдений в зонах контроля Николаевского месторождения регистрировалось и проходило селекцию от 50-70 до 250-300 и более событий естественной АЭ в месяц. Установлено, что большая часть (около 70% от общего числа) источников акустических сигналов лоцируется в районах интенсивного ведения горных работ. На отдельных участках очаги источников АЭ концентрируются, формируя так называемые акустически активные зоны, отражающие процесс перераспределения напряжений и деформаций в массиве под влиянием горных работ.
В 2009 г. акустическая активность отмечалась с юго-западной стороны блока Восточного в этаже -348 .. .-370 м. В этот же период наблюдалось форми-
рование акустически активной зоны с восточной стороны блока Доставочного в целике между выработанными пространствами блоков Центрального и Восточного. Достаточно высокая акустическая активность также отмечалась в участках ведения горных работ в районе рудной зоны Харьковской в этаже выше горизонта -307 м.
Анализ результатов наблюдений с применением аппаратуры «Гроза-16» показывает, что в отдельные периоды времени по некоторым геофонам зарегистрирован повышенный уровень акустической эмиссии. Наибольшие значения интенсивности АЭ отмечались в участках массива в районе рудной зоны «Харьковская» и на северном фланге рудничного поля в районе блоков Север 9 и Север 10. Участки повышенной акустической активности массива приурочены к местам ведения горных работ зоне влияния геодинамически активных тектонических нарушений (рис. 2).
Значительный объем экспериментальных исследований выполнен на месторождении Антей (рудник Глубокий ОАО «ППГХО»). Здесь для контроля геодинамических процессов применяется цифровая система контроля горного давления (АСКГД) «Pшgmz-ADS».
Действующая в настоящее время наблюдательная сеть АСКГД, включает 19 цифровых приемных преобразователей (ЦПП), установленных в скважинах, пробуренных из горных выработок IX, Х, XI и XII горизонтов рудника «Глубокий» на глубине 570-750 м. База контроля АСКГД (дистанция между геофонами) на участке наблюдений не превышает 150 м.
500 600 700
Рис. 2. Участок массива горных пород Николаевского месторождения, характеризующегося повышенной акустической активностью. 1 - дайки; 2, 3 - геофоны аппаратуры «Прогноз-5АМ» и «Гроза 16», соответственно; 4 - участки горных выработок с внешними признаками удароопасности; 5 - акустически активная зона
Созданная на месторождении разветвленная сеть приемных преобразователей позволяет регистрировать даже слабые (с энергией 1 Дж и более) импульсы акустической эмиссии, тем самым обеспечивая возможность наблюдений за развитием процесса формирования очагов разрушения непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза. Пример отображения зарегистрированного акустического импульса с энергией 1,73 Дж в окне программного обеспечения системы геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS» приведен на рис. 3.
Рис. 3. Локационная серия акустического события, зарегистрированного в блоке 6а-1212 рудника «Глубокий» системой геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS»
По результатам измерений строятся карты изолиний акустической активности, отражающие процесс перераспределения напряжений в массиве под влиянием горных работ. Одна из таких карт, созданная для одного из участков массива месторождения «Антей», показана на рис. 4. Результаты мониторинга посредством программы MineFrame импортируются в 3D-модель месторождения и могут быть представлены в объемном виде.
За время наблюдений в 2009 г. на месторождении Антей было зарегистрировано 3350 АЭ-событий с различной энергетикой. Большая их часть (65%) относится к слабым, характеризующимся значениями 4-5 Дж. Большая часть событий (87%) лоцируется в зоне непосредственного влияния горных работ. Анализ пространственного распределения очагов АЭ-событий показал, что их боль-
шая часть (45%) событий лоцируется в блоке 6а-1006. Здесь по-видимому формируется долгоживущая геодинамически активная зона, которая требует более детального исследования. Треть (33%) от общего числа АЭ-событий зарегистрировано в блоках 6а-1102 и в районе участка пережима рудного тела (в районе блока 6а-1110). 22% АЭ-событий распределены по блокам 6а-1212 и 6а-1202.
77000 77100 77200
Рис. 4. Карта акустической активности участка массива месторождения «Антей», построенная по данным геоакустического мониторинга в 2009 г. (в проекции на XI горизонт)
В процессе мониторинга формировался банк данных о параметрах акустической активности разрабатываемого массива месторождения. Содержащаяся в банке данных и постоянно пополняющаяся информация является основой для осуществления текущего и перспективного прогноза удароопасности участков шахтного поля рудника. С накоплением представительного объема экспериментальных данных выявляются закономерности проявления акустической активности, устанавливаются и уточняются критерии удароопасности массива горных пород.
Данные геомеханического мониторинга с применением автоматизированных систем контроля горного давления (АСКГД) указывают на достаточно тесную связь геодинамических процессов, проявляющихся в геофизических, в том числе геоакустических полях, с формированием удароопасности на исследуемых нами объектах (месторождениях Николаевском, Южном, Антей).
Совместно со специалистами служб прогноза и предотвращения горных ударов (ППГУ) горнодобывающих предприятий (ОАО «ГМК «Дальполиметалл» и ОАО «ППГХО») был выполнен детальный анализ всех случаев динамических проявлений горного давления за более чем 20-летний период отработки месторождений. Сведения об условиях и параметрах динамических проявлений горного давления систематизированы в специально разработанных электронных базах данных (БД), которые позволяют эффективно проводить выделение, анализ и оценку влияния различных групп факторов, определяющих удароопасность массива горных пород. Всего проанализировано более 1000 случаев проявления горного давления в динамической форме (не считая случаев шелушения и интенсивного заколообразования пород), зарегистрированных на месторождениях: Николаевском, Южном, Антей и ряде других.
Выявлены особенности горно-геологических условий разработки опасных по горным ударам месторождений региона, которые предопределяют, как определенное сходство, так и некоторые различия в возникновении и динамике изменения проявлений горного давления.
В результате обобщения данных об условиях и характере возникновения опасных динамических явлений на рудниках Дальнего Востока установлено, что в формировании удароопасных ситуаций участвуют как природные, так и техногенные факторы.
К природным факторам в первую очередь следует отнести активные тектонические нарушения и контакты разномодульных горных пород, играющие роль естественных концентраторов высоких напряжений в массиве горных пород. Так, к зонам влияния разломов приурочено более половины динамических проявлений горного давления на рудниках: Южном и Глубоком (отрабатывающем
месторождение «Антей»). Велика доля динамических явлений, обусловленных влиянием геолого-тектонической структуры массива, на Николаевском месторождении.
К техногенным (или технологическим) факторам отнесены: влияние очистной выемки, приводящей к дополнительной пригрузке элементов системы разработки в зоне опорного давления, и высокая изрезанность горного массива на участках сближенных выработок и их сопряжений, а также наличие различного рода целиков.
Так, на Николаевском руднике около 25% проявлений горного давления регистрируется в зоне опорного давления вблизи выработанных пространств (на расстоянии 2-15 м от него), площадь которых достигает значительных размеров. Причем регистрируемые здесь толчки характеризуются высокой энергетикой. На Южном руднике целики в 63% случаев выступали как объекты динамических проявлений горного давления, а оценка их потенциальной удароопасности, проведенная по результатам бурения скважин на дискование керна, показала, что 75% обследованных целиков характеризуются категорией «Опасно».
Комплексный анализ условий и факторов динамических проявлений горного давления на рудниках Дальневосточного региона дал основания для следующих выводов:
- формирование удароопасных геомеханических ситуаций контролируется характером проявления как природных, так и техногенных факторов, из которых основными являются тектонические нарушения, контакты отличающихся по упругим и прочностным свойствам горных пород, высокая изрезанность массива выработками, в том числе наличие сопряжений выработок и различного рода целиков, расположение и форма выработок, влияние выработанных пространств и
др.;
- проявления начальных признаков удароопасности (шелушения, интенсивного заколообразования) имеют во времени незакономерный характер, а более сильные динамические явления в основном происходят спустя определенное
время после массовых взрывов или цикла проходческих работ и, как правило, приурочены к участкам массива, сложенного крепкими и жесткими породами;
- по мере развития горных работ усиливается влияние на удароопасность геодинамически активных разломов: на месторождениях Южном и Антей к этим зонам пространственно приурочено около 50% от общего числа стреляний, толчков и микроударов;
- значительное увеличение объемов отработки может приводить к возникновению качественно новой геомеханической ситуации: так, на рудниках ОАО «ГМК «Дальполиметалл» и ОАО «ППГХО» на ранних этапах освоения месторождений наибольшее число динамических проявлений (более 80%) отмечалось в процессе проходки подготовительных выработок, а в последние годы они все чаще происходят под влиянием очистных работ (на Николаевском руднике около 25% проявлений горного давления регистрируется в зоне опорного давления вблизи выработанных пространств на расстоянии 2-15 м от них);
- с увеличением глубины и масштаба отработки изменяются форма и характер динамических проявлений горного давления: все большее распространение получают толчки в глубине массива, некоторые из них сопровождаются выделением значительной сейсмической энергии.
Установленная в условиях подземных рудников Дальнего Востока взаимосвязь между особенностями регистрируемой аппаратурой акустической активностью горного массива и динамическими проявлениями горного давления указывает на реальную возможность прогнозировать и предотвращать опасные горнодинамические явления при ведении горных работ.
Оценка состояния массива горных пород по данным геоакустического контроля
Обобщение результатов исследований в области разработки методологии прогноза динамических проявлений горного давления по данным геофизического (в первую очередь микросейсмического) мониторинга свидетельствуют о том, что в основе большинства известных методов лежит интенсивно развиваемая
многими учеными кинетическая концепция разрушения твердых тел [5]. В соответствии с данной концепцией процесс разрушения горных пород протекает в несколько стадий: от возникновения микротрещин (размерами в миллиметры), до трещин в сантиметры и первые метры (возникновение трещин такого размера сопровождается упругими импульсами звукового частотного диапазона) и заканчивая разрывами от десятков метров до километров, которые имеют место при горно-тектонических ударах и техногенных землетрясениях. Считается, что разрушение на разных стадиях и переход к разрушению на следующем масштабном уровне происходит самоподобно, свидетельствуя о фрактальном характере этого процесса. Поэтому контроль некоторых параметров микросейсмической активности, отражающих различные стороны фрактального характера разрушения горных пород в массиве, может быть основой для прогноза места и времени крупного сейсмического события.
К настоящему времени разработан целый ряд методических подходов к прогнозу динамических проявлений горного давления, использующих различные прогнозные критерии [3, 11, 13 и др.]. Достаточно обоснованными считаются критерии: вариации временных интервалов (ВВИ), концентрационный и критерий изменения фрактального пространственного распределения сейсмических событий. Известны и другие критерии, детальный обзор которых сделан в работе [12]. Вместе с тем, отмечается, что применение какого-то одного критерия не всегда обеспечивает надежный прогноз из-за сложного пространственно-временного характера процесса разрушения горных пород. В работе [12] в числе прочих предлагается использовать интегральный критерий, базирующийся на комплексе последних. Такой подход представляется достаточно продуктивным, так как позволяет учесть целый ряд признаков предельно напряженного состояния массива горных пород, и, соответственно - более надежно спрогнозировать начало процесса его неуправляемого разрушения.
Основываясь на идее (она появилась в результате шахтных наблюдений и измерений) существования в разрабатываемом массиве горных пород изменяющихся в пространстве и во времени акустически активных зон, был разработан
метод геоакустического мониторинга очагов микроразрушений, базирующегося на трехстадийной модели разрушения горных пород и выявленных закономерностях проявления акустической активности при различных соотношениях действующих и разрушающих напряжений [7].
В соответствии с принятым подходом в процессе мониторинга выделяют (табл. 2): А) фоновое (незакономерное) распределение источников АЭ; Б) участки более или менее равномерной, но плотной и различающейся акустической активности; В) сравнительно плоско-протяженные зоны концентрации; Г) объемные концентрированные зоны.
Фоновое излучение АЭ указывает на I (неопасную) стадию, на которой разрушение только начинается с появления точечных дефектов, не связанных в какие-либо структуры. На II (доменной) стадии начинается процесс укрупнения дефектов (кластеризации трещин), на что указывают участки квазиравномерно плотного распределения источников АЭ. Этот процесс при определенных условиях может развиться и перейти на следующую стадию, став необратимым. Выявление начала этого перехода требует непрерывного мониторинга зарождающихся акустически активных зон и применения обоснованных критериев наступления III (удароопасной) предразрушающей стадии.
По экспертным оценкам с учетом временного фактора и длительной прочности, для натурных условий конкретного месторождения можно предварительно определить следующие диапазоны напряженности горных пород, соответствующие характерным стадиям их предразрушения: I стадия - (0.. .0,3)^; II -
(0,3...0,7) о^; III стадия - свыше 0,7осас (при таком уровне напряженности может происходить динамическое заколообразование пород, что является внешним признаком удароопасности массива). С наступлением III стадии массив в очаге разрушения становится неустойчивым, способным в очень короткое время перейти к стадии лавинообразного разрушения.
Таблица 2
Модель акустической активности разрабатываемого массива горных пород
(характеристики акустических объектов)
Выделяемый акустический объект Геометрический вид акустических объектов Установленные пределы зна чений интенсивности АЭ, со бытий /сутки Нал ичие очагов / Энергия в очаге (источнике). Характер проявле-- ния АЭ-активности Использование в геомехани ческих моделях
А. Фоновое излучение АЭ участки незакономерш распределенных отдель ных источников АЭ 0...5 Нет / 0,01.2 Дж (в виде одиночных АЭ-событий Для обоснования устойчивого (не опасного) состояния массива
Б. Домены разных кон центраций АЭ: участки квазиравномерш плотного распределена источников АЭ 10...50 Нет / 0,05.5 Дж (в виде одиночных и непродолжительных серий АЭ-событий) Для выявления стадии начал; активизации мас сива
В. Акустолинеаменты: плосколинейно распреде ленные зоны источников АЭ 0.30 Да / 1.20 Дж и более (в виде многократных серий и одиночных АЭ-событий) Для геодинамического районирования и оценки степени активи зации разломов
Г. Акустически актив ные зоны: объемные зоны концен трации источников АЭ ■ф- 20.100 и более Да / 10.100 Дж и более (в виде многократных серий и одиночных АЭ-событий) Для оценки удароопасности I зон повышенного горно го давления
Состояние массива в пределах акустически активных зон отражает сравнительная характеристика совокупности прогностических признаков: концентри-рованность очагов и степень локализации источников АЭ, повторяемость периодов акустической активности и ее незатухающий характер, скорость и направление миграции очагов, близость очаговой зоны к обнажению и др., количественно-качественные значения которых устанавливаются экспериментально для условий конкретного месторождения или его части [7].
Дополнительным критерием удароопасности может являться величина
удельной энергии , выделившейся в пределах акустически активной зоны [10]:
1 N
еАэ = 0,05- ^2 А , Дж/м3 , V i=i
3 3 3
где V- объем контролируемой зоны, м ; Li - дилатансионный объем трещин, м ; тинт - касательные напряжения в окрестности разрабатываемого участка массива горных пород, МПа.
При Е^ > 0,7ЕАЭрит, наступает III (опасная) предразрушающая стадия, за
которой следует лавинообразный неуправляемый процесс разрушения геоматериала. В результате предварительных оценок получены следующие значения ЕАЭрит для пород некоторых месторождений Дальневосточного региона: геден-
yjn -5 А о "5
бергитового скарна ЕУкрит=1,4 кДж/м ; известняка ЕУкрит=1,08 кДж/м ; для
кварцевых порфиров ЕУкрит=1,97 кДж/м .
Результаты апробации разработанного метода мониторинга акустически активных зон в условиях структурно сложных, приуроченных к тектонически активным районам земной коры удароопасных месторождений Дальнего Востока указывают на эффективность использования этого метода для оценки геомеханического состояния массива пород на действующих рудниках. Его применение позволяет более обоснованно проектировать и вести горные работы в пределах контролируемого участка шахтного поля.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», ГК №02.740.11.0315.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анцыферов М.С., Анцыферова Н.Г., Каган Я.Я. Сейсмоакустические исследования и проблема прогноза динамических явлений. М.: Наука, 1971. 136 с.
2. Геофизические исследования горных ударов / Петухов И.М., Смирнов В.А., Винокур Б.Ш., Дальнов А С. М.: Недра, 1975. 134 с.
3. Кузнецов С.В., Савостьянов Е.В. Организация контроля состояния массива горных пород при разработке рудных месторождений // Системы контроля горного давления. М.: ИП-КОН, 1989. С. 42-53.
4. Куксенко В.С. Возможности акустической эмиссии в прогнозировании разрушения горных пород // Системы контроля горного давления. М.: ИПКОН, 1989. С. 5-22.
5. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. О прогнозировании разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977. № 6.
6. Искра А.Ю., Калинов Г.А., Рассказов И.Ю., Болотин Ю.И.Совершенствование систем геоакустического мониторинга при ведении и подземных горных работ // Горн. журн. 2006. № 6. С. 72-77.
43т 7. Рассказов И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона. М.: Горная книга, 2008. 329 с.
8. Рассказов И.Ю., Искра А.Ю., Кянно К.А. Программа обработки данных геомеханического мониторинга «GeoAcoustics ADS» // Свидетельство о государственной регистрации № 2008615167 от 27.10.2008 г.
9. Рассказов И.Ю., Максимов Г.А., Калинов Г.А., Мигунов Д.С. Управляющая программа сбора данных геоакустического мониторинга в реальном масштабе времени «Master», версия 1.0 // Свидетельство о государственной регистрации № 2009610594 от 26.01.2009 г.
10. Рассказов И.Ю., Мирошников В.И. Прогнозирование опасных проявлений горного давления на основе трехстадийной модели разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ. 2007. № 4. С. 234-240.
11. Смирнов В.А. Региональный прогноз удароопасности шахтных полей по микросейсмическим наблюдениям // Геомеханические и геологические особенности разработки месторождений полезных ископаемых. СПб.: ВНИМИ, 1989. С. 51-62.
12. Тимофеев В.В. Технические и программно-методические средства мониторинга опасных состояний массивов горных пород Хибинских апатитовых рудников // Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. Апатиты: Изд-во Кольского науч. центра РАН, 2003. С. 168-190.
13. Томилин Н.Г., Воинов К.А. Контроль состояния породного массива на основе анализа вариации временных интервалов между сейсмическими событиями // Методические основы контроля состояния породного массива и прогноза динамических явления. М.: Национальный геофизический комитет, 1994. С. 7-24.
14. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982. 282 с.
