CC BY
40
------------------------------------------ © В.В. Бодин, 2006
УДК 550.3 В.В. Бодин
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ,
ВЫЗВАННЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИМ НАРУШЕНИЕМ*
Семинар № 3
Гектонические нарушения, развитые в пределах шахтных полей, существенно осложняют ведение горных работ, что проявляется в виде двух основных факторов. Одним из них является повышенная удароопасность горного массива [1, 2], другим - увеличение степени разрушения вмещающего массива по мере приближения фронта горных работ к разлому [3].
Динамические явления, происходящие в окрестности тектонических нарушений, имеют несомненную связь с участками концентрации напряжений, которые были установлены по результатам натурных наблюдений. Выполненные экспериментальные исследования напряженного состояния породного массива, примыкающего к зоне разлома, показали локальную концентрацию напряжения, достигающую 100 % от уровня нормального поля [4, 5].
То, что концентрация напряжения и дезинтеграция породного массива, может наблюдаться в пределах одного и того же тектонического нарушения, характеризует его как геологическое тело с аномальными значениями физико-механических параметров, закономерность пространственного распределения которых, изучены недостаточно полно. В связи с чем, возникает необходимость более детального изучения характера влияния разлома на параметры вмещающего породного массива. Решение данной задачи выполнимо с
помощью сейсмического метода исследований, который позволяет получить информацию о пространственном распределении физико-механи-ческих параметров в широком масштабном диапазоне изучаемого породного массива.
Исследование характера влияния тектонического нарушения на состояние горного массива выполнялось на ряде шахт Урала и Сибири. Регистрация сейсмического волнового поля велась с применением, в основном, двух методик наблюдения, либо сейсмического профилирования вдоль стенок горных выработок, либо сейсмического просвечивания между ними. Наблюдения выполнялись переносными сейсмостанциями с цифровой регистрацией сейсмического сигнала в широком частотном (5-4000 Гц) и динамическом (84 дБ) диапазонах. В качестве приемных устройств использовались горизонтальные преобразователи электродинамического типа, ось максимальной чувствительности, которых была ориентирована по нормали к стенке горной выработки. Интервал размещения сейсмоприемников, в зависимости от масштаба исследований, составлял 1,
2 и 5 м.
Результаты исследований позволили установить, что зоны тектонических нарушений, на порядок и более превышают размеры визуально выделяемых магистральных разрывов, характеризуются
уменьшением упругих параметров на 30-
* Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президиума Российской Федерации.
Рис. 1. Примеры записи аномальных колебаний на границах зон тектонических нарушений: а) -
шахта «Кальинская» СУБР, б) -шахта «Магнезитовая», г. Сатка, в)
- шахта «Естюнинская», г. Н-Тагил
40 % и уменьшением амплитуды колебаний. На границах указанных зон, как правило, образуются дифрагированные и пре-ломленно-отраженные волны, и, практически во всех случаях, регистрируются аномальные колебания, динамические параметры которых, отличаются от параметров колебаний вне зоны тектонического нарушения [6]. На рис. 1, а, б, в показаны фрагменты полевых сейсмограмм с записями аномальных колебаний, зарегистрированных на границах зон тектонических нарушений.
Характер колебаний и форма их огибающих указывают на то, что они относятся к нелинейному типу, к так называемым, солитоноподобным [7], однако, регистрируемые в отдельных случаях прак-
тически незатухающие колебания (рис. 1, в), и их пространственная локализация, вызывают необходимость уточнения природы, формирующихся в окрестности тектонических нарушений сейсмических колебаний.
Анализ амплитудно-час-
тотных спектров показал, что амплитуда аномальных колебаний, в несколько раз превышает амплитуду сей-
смического сигнала вне зоны разлома. В то время как, типичные колебания содержат два основных максимума, соответствующих продоль-
ным и поперечным волнам, спектры аномальных колебаний представлены, как правило, одним максимумом, частота которого не совпадает с частотой нормального колебания (рис. 2).
Результаты исследований, выполненных на шести шахтах, находящихся в различных геолого-тектонических условиях, позволили установить, что частота и амплитуда основного максимума аномального колебания стабильна относительно условий возбуждения сейсмических волн. Динамические параметры одних и тех же компонент аномальных колебаний определяются условиями приема, т. е. свойствами той среды, в которой расположено приемное устройство.
а
б
в
Величины горизонтальных напряжений и частоты аномального колебания на исследуемых рудниках
Название рудника Напряжения, МПа, бх Частота основного максимума, Гц
ш. Магнезитовая, г. Н-Тагил 17 547
ш.СевероПесчанская, г. Краснотурьинск 21 705
ш. Магнетитовая, г. Н-Тагил 45 975
Таштагольский, Рудник 52 909
СУБР, г. Североуральск 58 1070
ш. Естюнинская, г. Н-Тагил 72 1120
Необходимо отметить, что для каждой из шахт, на которых проводились исследования, характерен определенный диапазон частот и амплитуд аномальных колебаний. Характер распределения модальных значений частоты максимума по рудникам, указывают на определенную связь параметров аномального колебания с геолого-тектоническими условиями исследуемых шахт. Так, например, для шахты «Магнезитовая» (т. Сат-ка), которая находится в породах осадочного комплекса, частота основного максимума составляет 547 Гц. Для шахты «Магнетитовая» (г. Н-Та-гил), расположенной в породах вулканогенно-оса-
дочного комплекса, частота максимума составляет 975 Гц. Учитывая значительное влияние, которое оказывает на породный массив его напряженное состояние, на каждом руднике было выполнено сопоставление частоты аномальных колебаний с первоначальным напряжени-
ч
О
К
Рис. 2. Амплитудно-частотные
спектры сейсмических волн, зарегистрированных в зоне разлома «Средний» и вне его, шахта «Магнетитовая», гор. -370, г. Нижний Тагил
ем [8]. Для сопоставления выбирались средние значения горизонтальных напряжений, определенных на тех же горизонтах, где выполнялись геофизические наблюдения (таблица).
Оценка корреляционной связи двух параметров показала, что зависимость частоты аномального колебания от величины действующего в массиве напряжения является значимой (коэффициент корреляции равен 0.95, рис. 3)
Локальное распространение аномальных колебаний, их приуроченность к зонам тектонических нарушений, связь ди-
Частота, Гц спектр аномального колебания спектр типичного колебания
1 - амплитудный максимум поперечной волны
2 - амплитудный максимум продольной волны
Рис. 3. График корреляционной зависимости частоты аномальных колебаний от величины горизонтальных напряжений, измеренных на рудниках Урала и Сибири по данным работы [8]
б (МПа) = -38,23 + ,09282 * Р (Гц) коэфф. корр. г = ,95686
Частота, Гц
намических параметров с напряженным состоянием породного массива и независимость от внешних условий возбуждения, позволяют сделать вывод о том, источником генерирования данных колебаний является при разломная часть породного массива, в которой, согласно работам [4 5], наблюдается концентрация напряжений. Двукратное превышение уровня действующего напряжения приводит к пластической деформации и связанной с ней нелинейностью породного массива. В работе [9] рассматривается механизм возникновения автоколебаний при наличии в среде пластической деформации. С целью определения модели деформирования породного массива в окрестности тектонического нарушения, использовалась ранее установленная зависимость величины отношения скоростей продольной и поперечной волн (Ур/УБ) от характера деформирования горных пород [10]. Увеличению отношения Ур/УБ соответствует пластическая деформация пород, уменьшению -упругая.
Пространственное сопоставление интервальных значений Ур/УБ с визуально выделенными нарушениями, показало, что разломным зонам отвечает повышенная в 1.5-2.0 раза величина Ур/УБ, аномальные
колебания регистрируются как в пределах зоны пластической деформации, так и за её пределами. При этом, аномальные колебания могут разделяться по частоте основного амплитудного максимума, так более высокочастотные колебания группируются в пределах лежачего крыла разлома, низкочастотные - в разломной зоне и в пределах висячего крыла.
В качестве примера на рис. 4 приведены интервальные значения Ур/УБ и местоположение аномальных колебаний, зарегистрированных в окрестности сбросо-сдвига «Средний» на горизонте -370 м шахты «Магнетитовая». Высокочастотные колебания (1200 Гц) фиксируются в лежачем крыле нарушения, за пределами зоны пластической деформации, низкочастотные (500-700 Гц) - в висячем крыле и в пределах зоны пластической деформации.
Таким образом, выполненные исследования позволили установить:
- в окрестности тектонических нарушений в сейсмическом волновом поле присутствуют аномальные ко-лебания, динамические параметры которых, отличаются от параметров колебаний за пределами разломных зон;
- выявленные особенности аномальных колебаний, таких как, независимость динамических параметров от внешних условий возбуждения, приуроченность к нелинейным участкам породного массива, дают основание отнести
3.50
3.25
3.00 £ 2.75
.Л
> 2.50
о
Э 2.25 § 2.00 5 1.75
1.50
1.25
1.00
0 4 8 12 16 20 24 28 32
Расстояние по профилю, м
— - зона тектонического нарушения Ж - магистральный разрыв (МР)
^ - высокочастоное колебание
ф - низкочастотное колебание
• 4 |
9
хда!
Рис. 4. Интервальные значения отношения скоростей Vp/Vs в зоне тектонического нарушения и местоположение аномальных колебаний. Шахта «Магнетитовая», гор. -370 м, разлом «Средний»
данные колебания к нелинейным волнам;
- тесная корреляционная связь динамических параметров нелинейных волн и действующих напряжений дают возможность оценивать состояние породного массива в окрестности тектонических нарушений.
1. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках.- Владивосток. Дальнаука, 2001.- 169 с.
2. Ловчиков А.В., Гуменков В.П. О роли естественных и техногенных факторов в реализации горнотектонических ударов на рудниках.\ Динамика и напряженное состояние недр Земли. Труды международной конференции.- Новосибирск, СО РАН, 2001. с 243-250.
3. Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. -Новосибирск. Наука. 2005.- 264 с.
4. Айтматов И.Г., Ялымов Н.Г., Кожагулов К.Ч., Рогожников О.В., Ялыымов Р.Н. Формирование поля напряжений в районе активных разломов Тянь-Шаня\ Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды международной конференции.- Новосибирск, СО РАН, 1999. с 289294.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Вытекжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашов В. И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов.- Новосибирск. Наука. Сиб. отд-ние. рАн 1990. - 205 с.
6. Бодин В.В. Отображение тектонических нарушений в сейсмическом волновом поле.-Москва. Горный информационно- аналитический бюллетень. МТГУ, 2004, №8 с 71-78.
7. Хаврошкин О.Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. - М. ОИФЗ РАН, 1999. -286 с.
8. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург. УрО РАН. 2001. - 355 с.
9. Панин В.Е., Гриняев В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения.
- Новосибирск. Наука. СО РАН. 1990. - 255 с.
10. Петров В.А., Звягтнцев Л.И., Полуэктов В. В., Волков А. В. Изменение упругих и деформационных свойств пород в зависимости от длительности воздействия напряжения. / Вестник Моск. ун-та. Сер. 4. Геология 1998, №6, с 41-51.
— Коротко об авторах
Бодин В.В. - ИГД УрО РАН
