Исследование иерархической структуры динамических характеристик медленных деформационных волн — отклика на взрывные воздействия Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© O.A. Хачай, О.Ю. Хачай, O.B. Шипеев, 2013

УДК 622. 83 + 530. 1 (075. 8)

О.А. Хачай, О.Ю. Хачай, О.В. Шипеев

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕДЛЕННЫХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН — ОТКЛИКА НА ВЗРЫВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ*

Введение дополнительного параметра - скорости распространения медленных деформационных волн позволило с использованием метода фазовых диаграмм идентифицировать их иерархическую структуру, что позволит в дальнейшем использовать эту информацию для моделирования и интерпретации распространения сейсмических и деформационных волн в иерархических структурах. Исследована тонкая структура хаотической области методом фазовых диаграмм с использованием сейсмического детального шахтного каталога для двух откликов массива на массовый выюкоэнергетический взрыю в северной и южной его частях. Результат важен для понимания зарождения резонансного выюкоэнерге-тического выброса и выработки критерия оценки устойчивости массива. Ключевые слова: отклик массива, медленные волны1 деформации, сейсмический шахтный каталог, анализ натурных данных, фазовые диаграммы.

Исследования состояния массива с использованием подходов теории динамических систем [1 - 3] производились с целью выяснения критериев смены режимов дис-сипативности для реальных горных массивов, находящихся под сильным техногенным воздействием. Для реализации этого исследования были использованы данные сейсмического каталога Таштагольского подземного рудника за два года с июня 2006 года по июнь 2008 г. В качестве данных использованы пространственно-временные координаты всех динамических явлений-откликов массива, происшедших за этот период внутри шахтного поля, а также взрывов, произведенных для отработки массива, и значения зафиксированной сейсмической станцией энергии [3].

Фазовые портреты состояния массивов северного и южного участков построены в координатах Еу(1) и <(Еу(1))/Л, 1-время, выраженное в долях суток, Бу-выделенная массивом сейсмическая энергия в Дж. В этой работе проанализирована морфология фазовых траекторий сейсмического отклика на взрывные воздействия в различные последовательные промежутки времени южного участка шахты. В этот период по данным о произведенным технологическим и массовым взрывам большая часть энергии была закачана именно в южный участок шахты. Кроме того в конце 2007 года именно в южном участке произошел один из самых сильных горных ударов за всю историю работы рудника. В результате анализа выделена характерная мор-

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10 - 05 - 00013, и ИП проекта с СО РАН 2012-2014гг.

фология фазовых траекторий отклика массива, находящегося локально во времени в устойчивом состоянии: на фазовой плоскости имеется локальная область в виде клубка переплетенных траекторий и небольшие выбросы от этого клубка, не превышающие по энергии значений 105 Дж. В некоторые промежутки времени этот выброс превышает 105 Дж, достигая 106 Дж и даже 109 Дж [3].

Так как исследуемый объем массива один и тот же и мы изучаем процесс его активизации и спада, то очевидно имеют место два взаимоза-висящих друг от друга процесса: накопление энергии в притягивающей фазовые траектории области и резонансного сброса накопленной энергии. Интересно отметить, что после этого сброса система возвращается снова в эту же притягивающую фазовые траектории область. Это подтверждается и детальным анализом фазовых траекторий сейсмического отклика массива до и после самого сильного горного удара. Сопоставление фазовых портретов отклика состояния массива до и после горных ударов различной интенсивности и в различные промежутки времени свидетельствуют о том, что выбранный нами объем в виде южного участка реагирует на оказываемое на него воздействие подобным образом, отражая слаженный или совместный механизм освобождения накопленной энергии.

В настоящей работе мы рассмотрим тонкую структуру хаотической области в фазовой диаграмме для понимания зарождения резонансного высокоэнергетического выброса при этом проанализируем и сопоставим результаты анализа для северной и южной части шахтного поля. В качестве данных аналогично [3] используем пространственно-временные коор-

динаты всех динамических явлений-откликов массива, происшедших в период после массового взрыва внутри шахтного поля, а также временные данные взрывов, произведенных для отработки массива в северной и южной части шахтного поля и значения зафиксированной сейсмической станцией энергии. В нашем анализе все шахтное поле было разделено на две половины: выработки северозападного участка, районы стволов Западная и Ново-Капитальная и выработки с 0 по 14 обозначены нами, как северный участок. Выработки с 15 по 31 и южный вентиляционный и полевой штреки, ствол Южной шахты, выработки юго-восточного участка обозначены как южный участок. Учитывались все события-отклики с горизонтов - 140 м, - 210 м, - 280 м,

- 350 м. Взрывы производились на южном участке и на северном участке.

Сейсмологический каталог был также разделен на две части: северную и южную, по событиям откликам и по взрывам, происходившим в северной и южной части шахтного поля.

Условные обозначения: Бу выделенная массивом энергия в Дж. за период наблюдений между массовым и технологическим взрывами,

дЕ д1

з=з1дп дЕу, ^

время в сутках.

Морфология фазовых диаграмм (рис. 1, 2) повторяется аналогично установленной ранее в работе [3].

Исходя из идей, изложенных в работах [4 - 6], мы решили дополнить анализируемую базу данными пространственных координат взрывов, ввести их в предложенный ранее метод обработки данных сейсмологического мониторинга и дополнить его

10 8 6

< 0

1.СЮЕ+СЮ 1.00 -2

4 ■6 -8 -10 -12

1 00Е+0Л 1.00Е+05 1.00Е+06 1.00Е+07 1.00Е+08

Рис. 1. Фазовые диаграммы динамических явлений, происшедших в южной части шахты за период с 25. 03. 2012 - 31. 03. 2012 после массового взрыва, бл. 20 -21, гор. - 280, - 350 обрушение

Рис. 2. Фазовые диаграммы динамических явлений, происшедших в северной части шахты за период 11. 06. 2012 - 30. 06. 2012 после массового взрыва бл. 7, гор. - 280, - 210 обрушение (условные обозначения те же, что и на рис. 1)

■4 -6 -S -10 -12

Pèc. 3

, а

Pèc. 3, б

/ /

*-

с О

/ ......' "I

V•-''" ,'

1.р0Ё+О4 1.00Е+05 1.00Е+06 1.00Е+07 1.00Е+08

-10

-12

ЬдЕу

Рис. 3, в

Рис. 3. Иерархическая структура фазовых диаграмм динамических явлений, происшедших в северной части шахты за период с 11. 06. 2012 - 30. 06. 2012 после массового взрыва для разных (а, б, в) значений средней скорости распространения деформационных волн

новыми параметрами. Будем рассматривать каждую точку взрыва как источник сейсмических и деформационных волн. Используя кинематический подход обработки сейсмической информации будем каждую точку отклика массива использовать как пространственно временную точку первого вступления деформационной волны для вычисления скорости волны. Введем следующие две группы градаций скоростей: первая группа - от 1000 м/час до 500 м/час, от 500 м/час до 100 м/час, от 100 м/час до 50 м/час, от 50 м/час до 10 м/час, от 10 м/час до 1 м/час, от 1 м/час до 0. 01 м/час; вторая группа - от 1000 м/сек до 500 м/сек, от 500 м/сек до 100 м/сек, от 100 м/сек до 50 м/сек, от 50 м/сек до 10 м/сек, от 10 м/сек до 1 м/сек, от 1 м/сек до 0. 01 м/сек. Все отклики массива вместе с их пространственно-временными, скоростными и энергетическими ха-

рактерис-тиками распределяем соответственно этим градациям. Затем мы вычисляем средние значения скоростей деформационных волн, участвующих в динамических явлениях массива для каждой градации.

Условные обозначения: Еу - выделенная массивом энергия в Дж за период наблюдений между массовым и технологическим взрыва-

дЕ

. т Г г

ми, А=зБд/ I = -

дt

з=з1дп дЕу, ^

время в часах.

Из результатов (рис. 3а-в) следует, что морфология фазовых диаграмм остается прежней, однако разделение на градации позволяет выделить те волны, с помощью которых происходят динамические явления большей энергии. В нашем случае это волны со средними скоростями 28 м/час, 282 м/час, 4 м/час, в то время как волны со средней скоростью 68 м/час обра-

Уср=24 м/сек Ус|Э=3.3 м/сев и=0.4 м/сек

-8--

ЬдЕ«

-10--

-12 .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Рис. 4. Иерархическая структура фазовых диаграмм динамических явлений, происшедших в северной части шахты за период с 11. 06. 2012 - 30. 06. 2012 после массового взрыва. Условные обозначения те же, что на рис. 3, ^время в секундах

зуют только квазиустойчивый клубок фазовых траекторий.

Такая же иерархическая структура фазовых диаграмм наблюдается и для средних скоростей (рис. 4.). Наиболее энергетически насыщены волны со средней скоростью 0. 4 м/сек, затем 3. 3 м/сек. Волна со средней скоростью 24 м/сек образует квазиустойчивый клубок фазовых траекторий, эта область совпадает с выделенной областью на рис. 3 (а, б, в).

Результаты рис. 5. свидетельствуют о наибольшей энергонасыщенности деформационных волн со средней скоростью 206 м/час и 21 м/час при этом волны со средней скоростью 21 м/час образуют еще и хаотическую область фазовых траекторий более отчетливо, чем все остальные волны. На рис. 6. вместе с фазовыми диаграммами для волн со

скоростями 2. 5 и 0. 5 м/сек, образующих фазовую притягивающую область, расположенную в том же месте, что и соответственно на рис. 5, приведены фазовые диаграммы для волн со средними скоростями 627 м/час и 4 м/час. Видно, что только для фазовой траектории (4 м/час) наблюдается достаточно энергетически слабый выброс. Если сравнить динамическую характеристику реакции массива северной и южной его части, то в случае южной части он выражен энергетически более слабо. Однако и северная и южная часть массива откликается наиболее сильными резонансными выбросами с помощью медленных деформационных волн со средними скоростями 21 и 206 м/час (для северной части) и 28 и 282 м/час(для южной части). Остальные волны как бы накапливают энергию в массиве.

Рис. 5. Иерархическая структура фазовых диаграмм динамических явлений, происшедших в южной части шахты за период с 25. 03. 2012 - 31. 03. 2012 после массового взрыва для разных значений средней скорости распространения деформационных волн (условные обозначения те же, что на рис. 3)

Уср.=2.5 м/сек" \/ср.=0.5 м/сек Уср=627 м/час Уср.=4м/час

1.00Е+08

Рис. 6. Иерархическая структура фазовых диаграмм динамических явлений, происшедших в южной части шахты за период с 25. 03. 2012 - 31. 03. 2012 после массового взрыва для разных значений средней скорости распространения деформационных волн (условные обозначения те же, что на рис. 4)

Заключение

Введение дополнительного параметра - скорости распространения медленных деформационных волн позволило с использованием метода фазовых диаграмм идентифицировать их иерархическую структуру, что позволит в дальнейшем использовать эту информацию для моделирования и интерпретации распространения сейсмических и деформационных волн в иерархических структурах [10]. Исследована тонкая структура хаоти-

1. Наймарк Ю. И., Ланда П. С. Стохастические и хаотические колебания.// М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. -С. 424.

2. Чуличков А. И. Математические модели нелинейной динамики. М.: Физматлит, 2003. - С. 294.

3. Хачай О. А., Хачай О. Ю., Климко

B. К, Шипеев О. В. Отражение синергети-ческих свойств состояния массива горных пород под техногенным воздействием в данных шахтного сейсмологического каталога.// Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, № 6, 2010,

C. 259 - 271.

4. Опарин В. Н., Леонтьев А. В. Квазистатика и динамика массива горных пород в областях сильного техногенного воздействия. // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды конференции с участием иностранных ученых, 6 - 10 июля

ческой области методом фазовых диаграмм с использованием сейсмического детального шахтного каталога для двух откликов массива на массовый высокоэнергетический взрыв в северной и южной его частях. Это исследование необходимо продолжить для выработки критериев зарождения резонансного высокоэнергетического выброса, наблюдаемого при катастрофических динамических явлениях в горных массивах при их отработке взрывными технологиями.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2009 г. Новосибирск. ИГД СО РАН. Новосибирск. 2010. С. 15 - 29.

5. Курленя М. В., Опарин В. Н., Вос-триков В. И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа и // ДАН СССР - 1993. - Т. 333. -№ 4.

6. Опарин В. Н., Востриков В. Н., Тап-сиев А. П. и др. Об одном кинематическом критерии прогнозирования предельного состояния массивов горных пород по шахтным сейсмологическим данным // ФТПРПИ. -2006. - № 6.

7. Хачай О. А., Хачай А. Ю. Изучение напряженно-деформированного состояния иерархических сред.// Третья тектонофи-зическая конференция в ИФЗ РАН. Материалы докладов конференции 8 - 12 октября 2012 г. Москва ИФЗ РАН. - 2012. с. 114-117. 120

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Хачай Ольга Александровна — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН, о1дакЬасЬау@уа)^ех. ги,

Хачай Олег Юрьевич — магистр, ассистент, Институт математики и компьютерных наук, Уральский федеральный университет, khachay@mai1.ru,

Шипев Олег Васильевич — кандидат технических наук, филиал ОАО ЕВРАЗхолдинга. Таш-тагольский подземный рудник.

Л