Исследование особенностей развития сейсмоэмиссионных процессов на рудниках Талнахского месторождения полиметаллов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.34 + 622.831 Е.С. Седлецкая

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗВИТИЯ СЕЙСМОЭМИССИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА РУДНИКАХ ТАЛНАХСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛОВ

Банк данных сейсмических толчков и горных ударов, записываемый сейсмостанцией «Норильск» по рудникам Талнахского месторождения медно-никелевых руд, позволил обнаружить резкое возрастание удельной энергоемкости сейсмособытий, а также увеличение максимального значения энергии сейсмособытий. По экспериментальной проверке кинематического критерия прогнозирования предельного состояния массивов горных пород по шахтным сейсмологическим данным на рудниках Норильского месторождения за период 1994-2005 гг. сделан вывод о его высокой чувствительности к изменениям напряженно-деформированного состояния массивов.

Ключевые слова: сейсмологическая информация, критерий удароопасности, геодинами-ческие явления, рудники.

сследование шахтной сейсмологической информации по рудникам «Октябрьский» и «Таймырский» за период 1994-2007 г.г. показало, что за анализируемый период наблюдается рост уровня сейсмической активности и быстрое возрастание суммарного сейсмоэнерговыделения пород. Это свидетельствует о возрастании удельного веса сейсмособытий более высокого энергетического уровня по сравнению с ранее проявлявшимися. За рассматриваемый период (1994-2007 гг.) в поле рудников «Октябрьский» и «Таймырский» сформировалось несколько устойчивых сейсмических зон с повышенными значениями параметров сейсмической активности. Расчет критерия удароопасности, параметра хО) в виде отношения скоростей приведенного центра сейсмособытий и «миграции» отдельных сейсмособытий для упорядоченной по времени их проявления последовательности в пределах зон концентрации напряжений шахтных полей (разделительные массивы), для южной части раздели-

тельного массива РМ-1, зоны 1, показал, что этот параметр является важным диагностическим показателем напряженно-деформированного состояния контролируемых участков массива, который может быть эффективно использован для оценки и прогнозирования перехода участков массива в удароопасное состояние.

В настоящее время прогноз геодина-мических явлений на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» осуществляется Центром Геодинамической Безопасности (ЦГБ) (сейсмостанцией «Норильск»). Сейсмостанция регистрирует индуцируемые в горном массиве сейсмические события. С учетом скорости распространения упругих волн, в качестве которой используется среднее по Октябрьскому месторождению значение (6000 м/с), рассчитываются координаты и энергия зарегистрированных сейсмособытий. Количество, энергия и координаты сейсмособытий являются основой для построения прогнозных карт, на которые наносятся границы зон, потенци-

! ! ! ¡I i ¡ i ¡ ! il i ¡ I ! ! ¡ ¡¡ ! ! I ! ! II i ¡ i ! I II ! i i I ¡ I II I ¡ ¡ ! ! Il 11 ! ! i ii ! i i ! i II! ! I ! ! I il ! I ¡ ! I

Рис.1. Разрез по оси девятой панели 1999 г.

ально опасных по проявлению динамических явлений (региональный прогноз).

Сейсмостанцией «Норильск» регистрируются основные характеристики сейсмического процесса: количество событий в некотором объёме за определённый срок N и условная сейсмическая энергия Е, рассчитанная по длительностям записей:

Е = Т • А ,

где Т - длительность сигнала, А - амплитуда сигнала.

Координаты очага сейсмособытия определяются методом регистрации времени первых вступлений волновых пакетов.

1. Анализ сейсмической активности рудников «Октябрьский» и «Таймырский».

За время наблюдения с 1994 по 2007 гг. накопился обширный массив данных, анализ которого позволяет проследить развитие сейсмической обстановки на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский».

Из довольно распределённой картины проявления сейсмоактивности в 1994

г. начиная с 1999 г. и до конца 2007 г. формируются устойчивые в своем проявлении зоны сейсмоактивности с четко очерченными границами (рис. 1, 2).

С 1994 по 1999 гг. сейсмическая активность была относительно небольшой, и зоны просматривались слабо. Начиная с 1998 года резко возросли объемы добычи руды, площадь опорных элементов сократилась, нагрузка на них возросла, начали формироваться сейсмоактивные зоны.

Начиная с 1999 года уже можно выделить несколько сейсмоактивных зон.

На рис. 3, 4, 5 приведены графики, показывающие изменение суммарных сейсмической активности N и сейсмической энергии E, а также удельной энергоёмкости E/N одного сейсмособытия за это время.

Из анализа представленных графиков с 1999 по 2004 год наблюдается рост параметров сейсмической активности: числа сейсмособытий на 175 %, суммарной сейсмоэнергии - более чем на

Рис. 2. Разрез по оси девятой панели 2007г.

600 % и удельной сейсмической энергии одного события - на 530 %.

После 2004 года сейсмическая активность снизилась по числу и по суммарной энергии, но вырос уровень значения удельной энергоёмкости одного сейсмособытия.

Предполагая, что каждому уровню выделенной энергии соответствует определённый объём горного массива [2], можно судить об уровне структурных блоков и объёмах горной массы, активизировавшихся после 2004 г. Ясно, что чем больше уровень выделяемой сейсмособытием энергии, тем большим по размеру структурным элементам или объемам массива он обусловлен [3]. Увеличение числа энергоёмких сейсмособытий показывает, что состояние горного массива достигло того уровня, когда он на горнодобычные работы начинает реагировать более массивными объёма-

ми. Об этом также говорит и возросшее значение «пиковой» энергоёмкости единичных сейсмособытий, достигшее в 2004 г. порядка 30000 Дж.

Особенно сейсмоактивна зона 1. Первая зона относится к южной части первого разделительного массива Октябрьского рудника.

На южную часть приходится около 50 % всех сейсмособытий, регистрируемых по обоим рудникам, поэтому она была выбрана автором для дальнейшего анализа.

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

:=рррррррр1

а

с\) см с\| см см см

1 все сейсмособытия Изона!

Рис. 3. Гистограмма развития суммарной сейсмической активности рудников с 1994 по 2007 гг. и суммарной сейсмической активности в зоне 1

Рис. 4. Гистограмма развития суммарной сейсмической энергии рудников с 1994 по 2007 гг. и суммарной сейсмической энергии в зоне 1

Рис. 5. Гистограмма развития удельной энергоемкости рудников с 1994 по 2007 гг. и удельной энергоемкости активности в зоне 1

Зона 1 сформировалась с 1999 года. С этого года в ней ведутся активные технологические работы. Сейсмоактивность по первой зоне показана на рис. 3, 4, 5.

Интересно проследить, как сместился центр сейсмической активности зоны 1 по вертикали за период 1999-2007 гг.

Соответствующий график приведен на рис. 6. На данном графике видно, что с 1999 г. этот центр из рудного тела смещается в подстилающие породы, т.е.

в более нагруженные и менее нарушенные участки. Это связано с ведением горно-добычных работ и перераспределением напряжений в горном массиве.

2. Анализ кинематических характеристик сейсмических событий в наиболее сейсмоактивной зоне 1.

Согласно развиваемой в работе [1] теории волн маятникового типа, из блочноиерархического строения породных массивов следует возможность появления целой группы медленных деформационных волн, обусловливающих сейсмоэмис-сионные процессы за счет поступательного и вращательного движения соответствующего уровня геоблоков - носителей маятниковых волн.

Предполагая, таким образом, наличие статистической связи между отдельными актами сейсмоэмиссии из массива горных пород и актами соударения между геоблоками соответствующего иерархического уровня, логично предложить для описания таких процессов метод «кажущихся» скоростей [2-6]. Сущность этого метода заключается в следующем. Весь каталог сейсмособытий представляем в виде последовательности, упорядоченной по времени t проявления этих сейсмособытий:

Wl = W(х,у,, ^), I = 1,2,..., #0,

(1)

(2)

Л

(х,+1 - х,) +(У,+1 + (2,+1 - 2,)2

У, )2 +

(А^с)

(3)

где X ■, У ., 2 . - координаты ] -го сейс-

Аґп

мособытия, і - 1,...,11, (30^24^3600) сек,

1 N 1 N

■ - ЛЕX-,у -т?£ у-,

время

X

2

і ’

Рис. 6. Миграция центра сейсмической активности зоны 1 с 1999 по 2007 гг.

где N - объем каталога сейсмособытий; Wl - энергия, хь уь ^ - координаты 1-го сейсмособытия, причем tl < tl+1.

«Кажущуюся» скоростью миграции 1-го сейсмособытия определим по формуле:

где N - количество сейсмособытий за месяц.

В качестве диагностического показателя напряженно-деформированного состояния участков массива горных пород с позиций их удароопасности используется отношение скоростных характеристик во времени

у = ММ-])

1 дt ( I, I-1),

где Дг ( /,/ +1) =

= [(х. - х1_1 )2 + (у. - у1-1 )2 + (р. - zl_l)2]^ д( ¿, г-1) = tl -1м.

Из каталога сейсмособытий были выбраны для зоны 1 группы, в которых крупное сейсмособытие послужило инициатором серии более мелких и для этих групп была рассчитана Ук.

Расчёт скорости миграции центра сейсмособытий УЕ и «кажущейся» скорости Ук был проведён для для отрезка времени, равному месяцу.

Среднемесячную скорость миграции центра сейсмособытий УЕ вычисляем по формуле:

(4)

Для зоны 1 на рис. 7, 8, 9 приведены графики помесячного изменения параметра %(1,) за 2005, 2006 и 2007 гг.

Из рис. 7 видно, что этот параметр для зоны 1 в июле-августе уменьшился до значений равных 0,06 - 0,05. Напряжённо-деформированное состояние горного массива в данной зоне достигло критического значения, что и выразилось в мощнейшем по энергетике 140000 Дж сейсмособытии, которое произошло 21 августа. После этого события характеристика % возросла на порядок, и значения в диапазоне 0,3-0,1 сохранялись до мая 2006 г. (см. рис. 8).

Рис. 7. Значение параметра х для зоны 1 по месяцам в 2005 г.

Рис. 8. Параметр х для зоны 1 в 2006 г.

Рис. 9. Параметр х для зоны 1 в 2007г.

В июне-июле показатель % уменьшился до значений 0,02-0,03. В этот период произошло самое сильное за 2006 год сейсмическое событие с энергией 26000 Дж.

С конца 2006 года до апреля 2007 года параметр % увеличился до 0,22 (см. рис. 9), что соответствовало относительно спокойной ситуации на рудниках. Затем, как и в 2006 году, его значение уменьшилось на порядок, что выразилось в серии горных толчков. Самое «тяжелое» сейсмособытие с энергией 46000 Дж произошло^ июня (% =0.01),

затем последовали сейсмособытия с энергией 45500 Дж, 31800 Дж, 29000 Дж и ниже.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что параметр % имеет на порядок меньшие значения, когда зона 1 переходит в критическое состояние и в ней регистрируются высокоэнергетические сейсмособытия. Это значит, что параметр % хорошо коррелирует с уровнем напряженности данного участка, когда происходит генерация энергоемких сейсмособытий.

Таким образом, проведённый анализ дает основание сказать, что параметр % может служить хорошей характеристикой для оценки состояния данного участка горного массива.

--- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Юн Р.Б., Юн А.Б., Макаров А.Б. Практическая геомеханика. М.: «Горная книга», 2005 г.

2. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч.11 // ФТПРПИ, 2000. - №4.

3. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников Октябрьский и Таймырский Норильского месторождения в 2003 г. Часть I: Сейсмический режим // ФТПРПИ, 2004. - №4.

4. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников Октябрьский и Таймырский Норильско-

го месторождения в 2003 г. Часть II: рудник Октябрьский // ФТПРПИ, 2004. - №5.

5. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников Октябрьский и Таймырский Норильского месторождения в 2003 г. Часть III: рудник Таймырский // ФТПРПИ, 2004. - №6.

6. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников Октябрьский и Таймырский Норильского месторождения в 2003 г. Часть IV: влияние площадей подработки налегающих породных массивов // ФТПРПИ, 2005. - №1. \ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ----------------------------------------

Седлецкая Елена Сергеевна - Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, e-mail: ses@misd.nsc.ru

НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»

Д.М. КАЗИКАЕВ С.В. СЕРГЕЕВ

ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ

НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Казикаев Д.М., Сергеев С.В.

ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Год выпуска: 2011, страниц: 244 ISBN: 978-5-98672-271-9 (в пер.)

УДК 622.833.5

В сложных горно-геологических условиях, на большой глубине надежность крепи стволов играет немаловажную роль в освоении месторождения. В книге представлены методики, аппаратура и оборудование для натурных исследований напряженно-дефор-мированного состояния околоствольных массивов горных пород и элементов крепи вертикальных шахтных стволов, сооружаемых и эксплуатируемых в сложных горно-геологических условиях. Изложены особенности подхода к решению научных задач, заключающиеся в системности и комплексности исследований. Изучаемые объекты рассмотрены как определенная совокупность, отражающая существующие и развивающиеся единые горно-геомеханические процессы при сооружении вертикальных стволов.