CC BY
35
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ ГОРНЫХ РАБОТ
Нелли Александровна Мирошниченко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: mna@misd.nsc.ru
Евгения Викторовна Васильева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: evg@misd.nsc.ru
Предложена методика, позволяющая на основе статистического анализа данных о техногенной сейсмичности и модельной информации об эволюции геомеханических полей при отработке месторождений установить пространственно-временные количественные соотношения между параметрами напряженно-деформированного состояния и числом и энергией динамических событий и выполнять их прогнозную оценку при планировании горных работ. Методика апробирована для условий Таштагольского железорудного месторождения.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, техногенная
сейсмичность, корреляционный анализ, объемная геомеханическая модель.
QUANTITATIVE ESTIMATE OF THE INDUCED SEISMICITY AT MININIG PLANNING STAGE
Nelli A. Miroshnichenko
Federal State-Funded Institution of Science N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny prospect, Novosibirsk, 630091 Russia, Researcher Mining Informatics Laboratory, tel: (383) 217-09-30, e-mail: mna@misd.nsc.ru
Evgenia V. Vasileva
Federal State-Funded Institution of Science N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny prospect, Novosibirsk, 630091 Russia, Junior Researcher Mining Informatics Laboratory, tel: (383) 217-09-30, e-mail: evg@misd.nsc.ru
The authors propose a procedure to find space-time quantitative relations between stress-strain state of a rock mass and the number and energy of seismic events based on statistical analysis of data on the induced seismicity and models of evolution of geomechanical fields in rocks during mining, as well as to make a prognostic estimate of the induced seismic events at the stage of mining planning. The procedure has been tested in the Tashtagol Iron-Ore Mine.
Key words: stress-strain state, induced seismicity, correlation analysis, 3D geomechanical model.
В статье предложена методика, позволяющая проводить детальный анализ геомеханической обстановки, складывающейся на отрабатываемых месторождениях твердых полезных ископаемых, с учетом изменения конфигурации выработанного пространства, а также получать количественные оценки параметров техногенной сейсмичности при планировании горных работ.
Анализ проведен для условий Таштагольского железорудного месторождения, которое разрабатывает сближенные рудные тела линзообразной формы почти вертикального падения. Мощность рудной зоны изменяется от 4 до 100 м, длина по простиранию - до 600 м. В настоящее время глубина очистных и горно-капитальных работ достигла 890 м (горизонт -350 м).
С использованием объемной геомеханической модели и планов горных работ рассчитаны поля напряжений в окрестности месторождения по состоянию на 1978, 1989, 1999 и 2009 гг. Промежуточные значения компонентов тензора напряжений получены линейной интерполяцией с шагом в один год. Особенности построения модели подробно описаны в [1]. Размеры исследуемой области: 2800*2400*1000 м по соответствующим осям декартовой системы координат X, У, Z.
В качестве примера на рис. 1 показаны изолинии максимального касательного напряжения ттахП на горизонте -140 м в различные годы эксплуатации, в т. ч. на рис. 1в - ожидаемое к 2015 году распределение ттахп, рассчитанное на основе плана развития горных работ. Отмечен факт миграции максимальных значений поля напряжений вместе с фронтом работ, что согласуется с данными о сейсмической активности и местоположении очагов динамических событий.
а
б
Рис. 1. Распределение ттахп на гор. -140 м на разных этапах отработки:
а) 1989 г.; б) 2009 г.; в) 2015 г. (прогноз). Замкнутым контуром показано выработанное пространство, линиями - тектонические нарушения
в
Объемная геомеханическая модель позволила получить не только количественную оценку полей напряжений, но и установить связь между изменением напряженно-деформированного состояния и параметрами техногенной сейсмичности (числом, местоположением очагов динамических
событий и их суммарной энергией), которая сопровождает любой процесс добычи полезных ископаемых.
Для проведения пространственно-временного анализа модельная область была разбита на блоки 400x400x70 м по соответствующим осям координат. Схема разбиения расчетной области, нумерация блоков, а также факторы, учитывающиеся при разбиении, приведены в [2].
В качестве числовой характеристики поля напряжений блока В, на момент 1к рассматривалось среднее значение максимального касательного напряжения тг-; ^ = 1989, 1990,..., 2009 (к = 1...21). Значение ^ = 1989 соответствует началу систематического формирования базы данных сейсмических событий рудника.
Все динамические события из сейсмического каталога были разделены на группы по энергетическому классу К: слабые (К £ 3); умеренные и сильные (К > 3). В каждом блоке Вг- подсчитано число N событий по каждой группе N0/) = Л'(Д, //,). Далее для всех пар блоков (Д, вычислены выборочные коэффициенты корреляции [2], устанавливающие связь между полем напряжений и техногенной сейсмичностью.
В табл. 1 приведен пример расчета корреляционной зависимости между т^к) и N¿(1/) в блоках В18 (расположен в зоне ведения горных работ) и В24 (прилегающее к отрабатываемому массиву пространство) с учетом разбиения блоков по горизонтам. Значимые коэффициенты корреляции (|^|>0.49) выделены тоном.
Таблица 1. Пример детального корреляционного анализа
\ № Хублока Зона отработки Номера блоков в окрестности
горизонт\ 25 18 10 11 12 17 19 24 26 31 32 33
0 -0.06 0.26 -0.07 0.22 -0.16 0.38 -0.16 0.17 0.13 0.48 0.47 -0.07
-70 0.15 0.43 -0.06 0.12 -0.07 -0.03 0.17 -0.24 0.02 0.14 -0.10 -
-140 -0.57 0.31 -0.42 -0.08 -0.34 -0.55 0.36 -0.55 -0.18 -0.33 -0.39 -0.23
-210 -0.69 -0.30 -0.58 -0.56 -0.34 -0.65 -0.07 -0.78 -0.60 -0.43 -0.53 -0.29
-280 -0.61 -0.54 -0.28 -0.59 -0.38 -0.81 -0.57 -0.59 -0.63 -0.45 -0.41 -0.12
-350 0.22 0.21 0.14 0.27 0.25 -0.15 0.30 0.11 0.34 -0.16 0.23 0.07
-420* 0.29 0.37 0.26 0.38 0.33 0.16 0.41 0.20 0.42 - 0.19 0.42
-490* 0.12 0.05 - - 0.11 0.11 0.36 - 0.33 0.36 - 0.15
V № ^^блока Зона отработки Номера блоков в окрестности 4
горизонт'\1 25 18 10 11 12 17 19 24 26 31 32 33
0 -0.13 0.25 0.01 0.17 -0.19 0.35 -0.21 0.10 0.19 0.39 0.46 0.01
-70 0.14 -0.28 -0.01 0.21 0.05 0.46 -0.17 0.58 0.19 0.43 0.25 -
-140 0.54 -0.33 0.43 0.03 0.34 0.54 -0.38 0.53 0.17 0.30 0.40 0.21
-210 0.67 0.31 0.53 0.51 0.31 0.69 0.06 0.70 0.52 0.37 0.50 0.31
-280 0.58 0.55 0.31 0.55 0.32 0.79 0.55 0.49 0.61 0.40 0.40 0.14
-350 0.56 0.59 0.43 0.59 0.41 0.64 0.65 0.45 0.65 -0.22 0.47 0.42
-420* 0.34 0.48 0.46 0.50 0.43 0.20 0.44 0.19 0.57 - 0.33 0.60
-490* 0.11 0.05 0.02 - 0.12 0.09 0.34 - 0.33 0.34 - 0.15
* - неразрезанные горизонты
Результаты обобщенного анализа показаны на схемах распределения коэффициентов корреляции в проекции на горизонтальную плоскость (рис. 2). Здесь в качестве примера рассматриваются значения коэффициентов корреляции и ^ (у — 1, 2, 42) отдельно по слабым (рис. 2а, б), средним
и сильным событиям (рис. 2в, г). Тоном выделены участки со значимой корреляционной связью; темно-серым - отрицательные значения, светло-серым - положительные.
а
б
О 400 800 1200 1600 2000 2400 2800
в
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800
г
Рис. 2. Распределение коэффициентов корреляции
N
Ч
Наиболее достоверными можно считать результаты, полученные для событий класса К £ 3, т.к. на их долю приходится до 90% от общего числа динамических событий, регистрируемых на Таштагольском месторождении. Для второй группы событий выборка оказывается нерепрезентативной, поскольку ежегодно в каждом блоке В{ происходит не более 3-5 событий класса К> 4.
Найденная значимая корреляционная связь может использоваться для прогнозных расчетов сейсмического режима на руднике. Приведем пример прогноза для блока В25, в котором предстоит отработка породного массива по плану развития горных работ до 2015 г. Используем рассчитанные с помощью геомеханической модели месторождения поля напряжений и интегральную характеристику ^¿(2015) в каждом блоке исследуемой области. По данным табл. 1 для горизонта -210 м связь В18 - В25 характеризуется отрицательным
коэффициентом корреляции ^18 25=_0-69 и свидетельствует о том, что снижение напряжений в В18 приводит к увеличению числа сейсмособытий в В25. Связь В24- В25 является значимой положительной: £^825 = 0.67, т. е. увеличение напряжений в В24 также ведет к увеличению числа событий в В25. Используем
уравнение линеинои регрессии:
(Т± _____
О;
21
21
Т> 21 X к=1
N¡1
к= 1
для различных пар блоков и по ним определяем ожидаемое число событий класса К < 3.
На рис. 3 диаграмма построенная интегральной
представлена рассеивания, по данным об характеристике
поля напряжений т18 за период 1989 - 2009 гг. в блоке В18 на гор. -210 м и количестве сейсмических событий И25 в блоке В25 за тот же период на том же горизонте, и график линейной регрессии И25 на т18.
Полученные зависимости можно использовать для количественной оценки числа возможных динамических
событий на различных горизонтах
Рис. 3. График линейной регрессии -^25(т_18) для событий класса^ < 3 (горизонт -210 м)
при реализации плана горных работ (табл. 2).
Таблица 2. Число сейсмособытий на 2015 год (прогноз)
Число событий в Блоке 25 (гор. -210 м) Число событий в Блоке 25 (гор. -280 м)
через связь: ^18-^25 (^18 25 = -0-69 ) ^25 (2015)=350 через связь: В^-В2, (4^8 25 =-0-б1) ^25(20 15)=275
В2<-В2ъ (^24 25 = ) ^2б(2015)=365 В2,-В2ъ (^24 25 = ) ^2б(2015)=250
Как видим, разница в прогнозных оценках числа динамических событий на выбранных горизонтах составляет не более 10%.
1. Дементьев А.Д., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Деформирование и разрушение природных объектов. Новосибирск: Новосиб. гос. аграр. ун-т, 2001.
2. Назаров Л.А., Назарова Л.А., Ярославцев А.Ф., Мирошниченко Н.А., Васильева Е.В. Эволюция полей напряжений и техногенная сейсмичность при отработке месторождений полезных ископаемых // ФТПРПИ. - 2011. - № 6. - С.6-13.
© Н.А. Мирошниченко, Е.В. Васильева, 2012
