Изучение явления самоорганизации в массивах удароопасных шахт с использованием активного электромагнитного мониторинга Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

------------------------------------------- © О.А. Хачай, О.Ю. Хачай,

2005

УДК 622.831.32:538 О.А. Хачай, О.Ю. Хачай

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В МАССИВАХ УДАРООПАСНЫХ ШАХТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА *

Семинар № 2

~П настоящее время накоплено дос-

X# таточно сведений, свидетельствующих о двух важнейших особенностях современной эволюции геологической среды: - механические перемещения вещества Земли происходят на любых пространственных и временных масштабах; -доступное изучению вещество земной коры образует блочно-иерархическую структуру, являющуюся результатом процессов деструкции или разрушения [1].

Важную роль для понимания формирования и развития иерархии структурных уровней деформации в твердых телах играют теоретические и экспериментальные результаты, полученные на образцах [2]. С их помощью развит подход, использующий представления о диссипативных структурах в неравновесных системах [3], для которых имеют место процессы самоорганизации на каждом из иерархических уровней. Как показано в [4], самоорганизация возникает при наличии иерархической структуры. Этот подход может быть применен к изучению таких природнотехногенных систем, как массивы горных пород, находящихся в процессе отработки. Для их описания применима модель открытой динамической системы [5]. Анализ проявлений процессов самоорганизации может дать представление об устойчивости системы и способствовать разработке критериев устойчивости состояния массива в целом относительно динамических

явлений заданного энергетического класса. Это перекликается с постановкой, высказанной в работе [1], заключающейся в гипотезе о делимости масштабов среды. Для всякой области размера 10 существует акт разрушения определенного энергетического класса (и выше), подготовка которого может рассматриваться с позиций, где детерминистические представления играют важную роль и предсказание которого с некоторой степенью неопределенности (в отношении и времени и места) возможно. Тогда как разрушение меньших масштабов укладывается в концепцию нестационарного случайного процесса, для которого предсказание индивидуальных событий не возможно.

В работах [6, 7] с использованием 3Б электромагнитного индукционного пространственно-временного мониторинга [8] удалось установить, что строение массива горных пород различного вещественного состава описывается моделью иерархич-ной дискретной среды. В рамках конкретной модификации метода удалось проследить два иерархических уровня. Зоны дезинтеграции [9] в околовыработочном пространстве расположены несимметрично в почве и кровле, что может быть свидетельством неравновесного состояния системы. Эти зоны располагаются дискретно, т.е. имеются интервалы их полного отсутствия в околовыработочном пространстве. Максимальные изменения в

*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 02-05-64229

массиве, находящемся под техногенным влиянием, проявляются именно в изменении со временем морфологии пространственного положения этих зон.

Результаты

Настоящая работа посвящена натурному изучению процессов самоорганизации в массиве горных пород, находящемся под техногенным влиянием и разработке критериев устойчивости на основе предложенной методики класс-сифНродишизируем результаты нескольких циклов электромагнитного мониторинга массива удароопасного йсашгаэго подземного рудника, проведенных в 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 гг. в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубинах от 540 до 750 м, с целью выявления мор-фологии зон дезинтеграции в около-выработочном пространстве в массиве горных пород, находящемся под интенсивным техногенным воздействием и влиянием естественного поля напряжений.

Система многоуровневых электромагнитных индукционных частотно -геометрических исследований, проведенных в шахте в 2000-2004 гг., имела вид:

Схема 1

Горизонт Выработки

-140 3

-210 2 4 8

-280 8

-350 18 19 20

С использованием математического аппарата интерпретации данных электромагнитных исследований [6-8] была проведена количественная интерпретация. В результате построена объемная геоэлек-трическая модель массива на четырех горизонтах, которая представляет собой блоковый разрез с неоднородностями меньшего ранга. Эти неоднородности описываются параметром М0, который является эквивалентным моментом сингуляр-

ного источника электрического типа (токовая линия), Он пропорционален контрастности проводимости в локальной зоне неоднородности и во вмещающей среде, длине токовой линии и зависит от частоты в случае вложенности строения выделенной локальной зоны.

На рис. 1 анализируется морфология зон дезинтеграции в почве массива, выявленная по данным электромагнитного индукционного мониторинга в разные годы и в разных выработках. Они разнесены по вертикали на 140 м и по горизонтали на 330 м. Изучение установления устойчивого подобия структур позволит понять процессы, происходящие в массиве, которые можно зафиксировать по данным геофизического мониторинга.

Введен интегральный параметр поин-тервальной интенсивности зон дезинтеграции, выявленных по данным электромагнитного индукционного мониторинга:

^ ы=£м 0 і=1

где N - номер интервала, на которые разбивается подпочвенное выработочное пространство: N = 1 (0-1 м), N = 2 (от 1 до 2 м), N = 3 (от 2 до 3 м), N = 4 (от 3 до 4 м), N = 5 (от 4 до 5 м), N = 6 (от 5 до 6 м), N = 7 (от 6 до 7 м), N = 8 (от 7 до 8 м), N = 9 (от 8 до 12 м), N = 10 (от 12 до 17 м), Т -циклы измерений: Т = 1 (2000 г.), Т = 2 (2001 г.), Т = 3 (2002 г.), Т = 4 (2003 г.), Т = 5(2004г.) К = к№ - количество выделенных неоднородностей в пределах интервала N по всей длине выработки.___________

№ 1-я группа 2-я группа 3-я группа

1 Горизонт -140, орт 3 Горизонт -210, орт 2 Горизонт -210, орт 8

2 Горизонт -350, орт 20 Горизонт -350, орт 18 Горизонт -280, орт 8

3 Горизонт -210, орт 4 Горизонт -350, орт 19

менее .1 .1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более

.1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более

Обсуждение результатов и выводы Анализируя результаты полученные согласно схеме 1 для трех частот 20, 10, 5 кГц, можно разбить эти орты на три пы, обращая внимание только на

Рис. 1. Проявление процесса самоорганизации в морфологии зон дезинтеграции, выявленной по данным электромагнитного индукционного мониторинга:

а) Геоэлектрический разрез по орту 19, горизонт -350, частота 20 кГц, наблюдения 2003 г.

б) Геоэлектрический разрез по орту 8, горизонт -210, частота 10 кГц, наблюдения 2002 г.

в) Геоэлектрический разрез по орту 19, горизонт -350, частота 20 кГц, наблюдения 2002 г.

г) Геоэлектрический разрез по орту

8, горизонт -210, частота 10 кГц, наблюдения 2003 г.

ственные значения Бры(ЫТ):

1-я группа - до 30, 2-я группа от 30 до 40, 3-я группа -более 40.

Структура массива 1-й группы, не зависимо от глубины залегания орта, характеризуется установлением устойчивой упорядоченности распределения параметра $рШ( N, Т) от контура

вглубь почвы, особенно это характерно для 4 орта -210 горизонта, где были предприняты повторные измерения в течение трех последних лет, а для 2003 г., измерения проводились до и после массовых взрывов. В свою очередь 4-ый орт проходит по охранному целику, наши результаты следования свидетельствуют об устойчивости его со-ния. Распределение параметра $ртг( N, Т) для массива рой группы характеризуется ежегодным изменением своей упорядоченности по интервалам от контура выработки вглубь почвы, при этом имеет место частотная несогласованность этих изменений, однако амплитуда изменений ограничена.

.1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более

14 Пк 16

10

12

18

20

22

24

26

а

б

14 Пк 16

18

20

22

24

в

Рис. 1, г

По всей вероятности состояние этого массива можно характеризовать как зиустойчивое. Для массива третьей пы особенности распределение параметра $рШ( N, Т), указанного для массива второй группы только увеличиваются по ей амплитуде, а массив можно зовать как потенциально неустойчивый.

менее .1 .1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более

Следует отметить, что в 2002, 2003 гг. наиболее сильные намические проявления имели место именно вблизи 8-х ортов -210 и -280 горизонтов, орт 19 горизонта -350 также выделяется как аномальный.

Представляет интерес анализировать динамику раметра ЪрШ( N, Т) в

-678 ние года за все 5 циклов

блюдения для массива из тов, принадлежащих

ным группам устойчивости. В качестве одного из устойчивых рим массив орта 4, горизонта -210 (рис. 2, а-г).

Так, в 2000 г. мы видим, что максимальное значение параметра $рШ приходится на первый интервал от 0 до 1 м,

Горизонт -210,орт4. частота 20 кГц 2000-2001 гг.

-2000г.

-2001г.

-2001г.

Номера интервалов

Рис. 2, а: Распределение поинтервальной интенсивности для массивов различной степени устойчивости

20

50

90

1000

5000

и более

Горизонт-210, орт 4, частота 20 кГц, 2001-2002гг.

Номера интервалов

Рис. 2, б

Рис. 2, в

Рис. 2, г

Рис. 2, д

Номера интервалов Горизонт -210, орт4, частота20 кГц, 2003-2004гг.

Номера интервалов Горизонт -210, орт8, частота20 кГц, 2000-2001 гг.

5 6 7

Номера интервалов

Горизонт -210, орт8, 20 кГц, 2001 -2002гг.

-2003г.

-2003г.

-2004г.

-2000г -2001 г

10

Номера интервалов

Рис. 2, е

Рис. 2, ж

4 5 6 7

Номера интервалов

Горизонт -210, орты 8,7, частота20 кГц, 2003-2004гг.

Рис. 2, з

и I й

-2003 г. ,8 орт -2004г. ,7 орт

4 5 6 7

Номера интервалов

в 2001 г. максимум параметра $рШ перемещается на 4-й интервал.

В 2003 г. максимальное значение параметра $ртг перемещается еще глубже в массив.

В 2004 г. максимальное значение параметра перемещается снова на контур выработки.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что имеет место циклическое перемещение зон дезинтеграции, проявляемое в положении максимального значения параметра БрШ. На частотах 5 и 10 кГц имеет место аналогичная картина, однако цикличность смещена на один год в сторону запаздывания.

Представляет интерес проанализировать динамику параметра $рШ(N, Т) в

течение года за все 5 циклов наблюдения для массива из ортов, принадлежащих группе неустойчивых массивов. К ним

принадлежит орт8, горизонта -210 (рис. 2, д-з).

Резкие изменения в максимальных значениях параметра Бр Ш проявляются в 2002 г., причем от 8 до 9м от контура выработки вглубь почвы.

В 2003 году проявляется резкое уменьшение параметра БрШ и оно сохраняется и в 2004 г. Массив орта 8 находится в стадии сильного разрушения.

Надо сказать, что для этого орта динамика распределения параметра БрШ идентична для всех частот.

Отмеченное проявление цикличности морфологии распределения параметра Бр Ш во времени также характеризует устойчивость массива относительно сильно энергетических динамических проявлений. В то время как циклическая перестройка структуры массива может сопровождаться слабыми динамическими проявлениями.

Одновременный анализ положения максимума (К - номер интервала) распределения параметра БрШ вглубь

20 орт, горизонт -350

-20 кГц -10 кГц -5 кГц

1-2000, 2-2001, 3-2002, 4-2003, 6-2004

-20 кГц -10 кГц —5 кГц

-20 кГц -10 кГц -5 кГц

1-2000, 2-2001, 3-2002, 4-2003, 5-2004

в

Рис. 3. Изменение параметра ¥, характеризующего структурные изменения в массиве по данным электромагнитного мониторинга. По оси абсцисс отложены номера циклов наблюдения: 1 - август 2000 г., 2 - август 2001 г., 3 - август 2002 г., 4 - август 2003 г., 5 - июль 2004 г.

б

массива (в почву массива) и его значения в виде зависимости параметра

^(Т) = Бр тГ“ (Т, N0) х N0 (Т) от цикла наблюдения Т позволяет установить четкие классификационные границы между массивом, находящемся в устойчивом состоянии (рис. 3, а) и массивом, находящемся в состоянии разрушения (рис. 3, б). Так, для устойчивого массива значения параметра Б(Т) ограничено величиной 100, для массива, претерпевшего резкие структурные изменения, связанные с фазовым переходом, в течение пяти циклов наблюдения параметр Б(Т) ведет себя подобным образом для всех частот и имеет четко выраженный максимум как функции Т, превышающий величину 100 в 3 раза и более. Для массива, в котором происходят сильные структурные изменения вблизи контура выработки, не затрагивая его глубинные части, параметр Б(Т) ведет себя не согласованно по частоте (рис. 3, в). В результате можно считать, что массив нахо-

1. Гольдин С.В. Деструкция литосферы и физическая мезомеханика.// Физическая мезоме-ханика, т.5, №5, 2002, 5-22.

2. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск СО АН СССР Наука.1985. 226 с.

3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир. 1979. 300 с.

4. Николис Г. Динамика иерархических

систем. - М.: Мир, 1989. 486 с.

5. Николис Г., Пригожин И. Познание

сложного. - М.: Мир, 1990, 344 с.

6. Хачай О.А. К вопросу об изучении

строения и состояния геологической гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной ие-

дится в состоянии развивающейся неустойчивости.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: массив горных пород представляет многоранговую иерархическую структуру. Изучение динамики состояния, его структуры и явлений самоорганизации массива можно вести геофизическими методами, настроенными на такую модель среды. Использование попланшетной многоуровневой индукционной электромагнитной методики с контролируемым источником и соответствующей методики обработки и интерпретации позволило выявить зоны дезинтеграции, являющиеся индикатором устойчивости массива. Введение нового интегрального параметра - поинтервального распределения интенсивности зон дезинтеграции, позволяет перейти к детальной классификации массива по степени устойчивости и ввести для этого количественные критерии.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

рархической модели // Российский геофизический журнал, 2004, № 33-34, С. 32-37.

7. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовыработочном прстранстве массивов горных пород. // Информационный горноаналитический бюллетень №11, - М.: Изд-во МГГУ. 2003. - С. 26-29.

8. Хачай О.А., ВлохН.П., НовгородоваЕ.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. // Физика Земли, 2001, №2. - С. 85-92.

9. Шемякин Е.И., Фисенко Г.Л., Курленя М.В., Опарин В.Н. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок.// ДАН СССР. 1986. Т. 289, №5.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------

Хачай О.А. - доктор физико-минералогических наук, главный научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург.

Хачай О.Ю. - магистрант математико-механического факультета, Уральский государственный университет.

© А.И. Бабкин, А.Е. Ахматов, 2005