CC BY
37
© В.И. Панин, Ю.А Старцев, 2011
УДК 622.831
В.И. Панин, Ю.А. Старцев
КОНТРОЛЬ ДИНАМИКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАНОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ГОРНЫХ РАБОТАХ МЕТОДОМ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ*
Приведены результаты мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) участков геологической среды методом сейсмической томографии при разработке Хибинских апатитонефелиновых месторождений. Динамику НДС оценивали по величинам скоростей продольных волн и разностным скоростным моделям контролируемых участков. Достоверность полученных результатов подтверждена визуальным обследованием и численным моделирование. Результаты сейсмотомографического мониторинга использованы при обосновании способов поддержания горных выработок.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние пород в массиве, сейсмическая томография, контроль состояния горных выработок.
~/у удник с вмещающим его участ-
ЛГ ком геологической среды образует открытую сложную нелинейную природно-техническую систему — ПТС. Эволюция геологической среды в ПТС определяется множеством детерминированных и случайных факторов. Детерминированными факторами являются технология и процессы ведения горных работ, призванные обеспечить безопасную и экономичную добычу полезного ископаемого. К случайным относятся неоднородность геологии и тектоники месторождения, природные геофизические процессы в геосферах Земли, а также возможные нарушения некоторых проектных параметров, которые могут оказать негативное влияние на состояние ПТС.
В качестве внутренних управляющих параметров геологической среды, определяющих её геомеханическую эволюцию, приняты показатели её напряженно-деформированного состояния, геоло-
гическое строение и структура массива, в качестве внешних управляющих параметров — технология горных работ и объёмы добычи полезных ископаемых.
Эволюция любой системы преследует определённый цели, в нашем случае — обеспечение стабильной и безопасной работы горнодобывающего предприятия, т.е. рудника или карьера. Поэтому изменение параметров эволюции геологической среды в ПТС должны быть прогнозируемыми и находиться под постоянным контролем.
Одним из методов такого контроля является сейсмическая томография, которая позволяет получить интегральную картину состояния достаточно большого участка геологической среды и отслеживать его динамику в процессе развития горных работ. Метод сейсмической томографии позволяет определить структуру массива, которая существенно влияет на напряженно деформированное состояние, обнаружить повы-
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 06-05-64681 и 09-05-00007.
шенные напряжения не только на контуре выработок, но и в глубине массива. Повышенные напряжения на контуре выработки можно обнаружить визуально, тогда, как высокие напряжения на некотором расстоянии от контура могут какое-то время себя не проявлять. Метод сейсмической томографии при обследовании значительных (до десятков 2\
сотен м ) участков массива пород является наиболее информативным и высокопроизводительным. Однако применение сейсмической томографии в условиях работающего рудника осложняется высоким уровнем техногенных помех, в частности, от работающего бурового оборудования, необходимостью бурить подбурки и бетонировать в них стальные реперы. В настоящий момент для большей оперативности работ приёмники сейсмических колебаний располагаются непосредственно на стенках выработок в предварительно выбранных и размеченных точках, в наиболее монолитных участках, что обеспечивает удовлетворительный акустический контакт.
При прохождении упругой волны сквозь низкоскоростную среду частота её значительно уменьшается, фронт волны становится пологим, в результате чего уменьшается точность определения момента вступления. Для получения более качественной информации используется весь возможный частотный и динамический диапазон сейсмостанции, т.е все каналы являются открытыми. Для подавления нерегулярных помех сигнал многократно накапливается. При обработке исходного материала путём фильтрации и ограничения усиления помехи уменьшаются до уровня чёткого выделения первых вступлений продольной, что позволяет проводить наблюдения во время рабочих смен. Такая методика проведения сейсмической томографии позволяет оперативно проводить измерения в под-
земных рудниках. При наличии необходимой исходной информации оценка на-пряженно-дефор-мированного состояния участка массива занимает не более недели.
Контроль напряженно-деформированного состояния отрабатываемого участка проводится в следующей последов ательности:
• выбор наиболее опасных участков по данным визуальных обследований и анализа информации об их геологии и структуре;
• подготовка сейсмотомографическо-го полигона;
• выполнение нескольких циклов сейсмотомографических наблюдений;
• обработка и анализ результатов наблюдений, подготовка заключения о текущем геомеханическом состоянии контролируемых участков и выработка рекомендаций по обеспечению безопасности горных работ.
В качестве примера приведены результаты сейсмотомографических ис-ледований на Расвумчоррском руднике ОАО «Апатит» на подэтаже +514 м в блоке 1/6, где проведены три цикла сейсмотомографических исследований: 25.01.2008, 15.04.2008, 17.10.2008.
Полигон расположен в непосредственной близости от очистного пространства. Отбойка на участке ведётся небольшими секциями и постепенно приближается к полигону с запада и востока. Планировалось пройти отрезную щель и начать отбойку в массиве, прилегающем к северной части полигона.
Массив горных пород в районе полигона представлен линзовиднополосчатыми рудами, в котором выявлены многочисленные зоны окисленных и раздробленных пород, мощность которых колеблется от 0.5 до 2—3 м. Породы в таких зонах сильно трещиноваты и менее прочны, чем вмещающие их ру-
Граница отбойки
Граница сейсмотомографического полигона Тектоническое нарушение
Отрезная щель и планируемая отбойка
Репера приёмников и источников сейсмических сигналов
Область разрушенных пород
Рис. 1. Конфигурация сейсмотомографического полигона и тектоника контролируемого участка на отм. +514,5 м в блоке16/19: а — на 15.04.2008 г, б — на 17.10.2008 г.
ды и породы. В ряде выработок как ор-тового, так и штрекового направления горное давление проявляется в виде шелушения, динамического заколообразо-вания, вывалов пород. Среди многочисленных тектонических нарушений наиболее четко прослеживается субверти-кальная трещина, которая совпадает со стенкой выработки БДО 23 на участке между БДШ 11 и БДШ 14. На рис. 1 представлена конфигурация сейсмотомо-графического полигона до массового взрыва и после него.
На участке сейсмотомографических исследований выполнена разметка и привязка реперов источников и приёмников сейсмических сигналов. Приёмники расположены в транспортном орте 13, а источники — в БДО 23. Расстояние между приёмниками и источниками
около двух метров. Расположение реперов на стенке выработки обеспечивает удовлетворительный акустический контакт. Принятая геометрия наблюдений позволяет получить плотную сеть сейсмических лучей. Каждая ячейка площади исследований пересекается двумя и более лучами, что в свою очередь увеличивает разрешающую способность, точность и достоверность томографического восстановления скоростей продольных волн.
Измерения выполняли с помощью 24-канальной сейсмостанции SmartSeis фирмы Geometries. Обработка сейсмических данных осуществлялась с помощью программы Х-TOMO. Томографическая обработка состояла из двух этапов: решение прямой и обратной задач. Решение прямой задачи заключалось в
расчете траекторий и времён пробега волн для однородной скоростной модели. На стадии решения обратной задачи невязки между теоретическими и измеренными временами пробега волн использовались для расчета поправок к опорной модели. Опыт предыдущих исследований на апатитовых рудниках показал, что невязки между теоретическими и измеренными временами пробега основной массы волн не превышают семи процентов. Те волны, у которых невязки выше семи процентов, из дальнейших итераций исключались. Таким образом начальная скоростная модель была принята однородной. Решение обратной задачи проводилось методом наименьших квадратов с регуляризацией по Тихонову.
По результатам первого и второго циклов измерений исследуемый участок массива в целом характеризовался крайне неоднородной структурой скоростного поля, которая отражает сложное его строение и напряженно-
деформированное состояние. Скоростные модели участка на 25.01.08 г. и 15.04.2008 г. приведены на рис. 2, а и б.
Отбойка на участке велась небольшими секциями и постепенно приближается к полигону с запада и востока. Скорости продольных волн изменяются в интервале от 3.3 км/сек до 7 км/сек. Наибольшие значения Vp, занимающие обширную площадь, наблюдались в северо-восточной части сейсмотомогра-фического полигона на сопряжении БШ 22 и транспортного орта 13. Более мелкие зоны, с высокими скоростями продольных волн локализовались вдоль БДО 23 между БШ 11 и БШ 14, между БДШ14 и БДШ15. Низкие значения Vp приурочены к приконтурной части и к сопряжениям выработок в БДО 23 и транспортного орта 13. Причём наиболее нарушенные участки сосредоточе-
ны в БДО 23, где проходит тектоническое нарушение. За период между первым и вторым циклами измерений произведена отбойка небольших секций руды, которая, тем не менее, привела к заметным изменениям геомеха-нического состояния контролируемого участка массива. В юго-западной части массива мелкие высоконапряженные области слились в единую, обширную зону. В целом это привело к усилению напряжений в этом районе. Вдоль транспортного орта 13 образовались новые трещиноватые зоны.
Динамика изменений скоростей упругих волн, а следовательно и геоме-ханического состояния пород массива на контролируемом участке оценивалась относительно первого цикла сейсмотомографических измерений. По разностной скоростной модели (рис. 3) видно, что за период с 25.01.08г по 15.04.08г прирост скоростей продольных волн на величину до 2,5 км/с в основном отмечался в югозападной части массива. Существенное уменьшение скоростей на величину до 2,5 км/с отмечено вдоль транспортного орта 13. На разностной скоростной модели ещё более чётко выделяются линейные структуры, приуроченные к тектоническим нарушениям. В этих зонах, как наиболее ослабленных, проявляется динамика в уменьшении скоростей, а на контактах в более прочных породах произошло увеличение скоростей продольных волн.
Таким образом, исследуемый участок характеризовался значительной
Рис. 2. Скоростные модели контролируемогоуч-ка массива на гор +514,5.: а) на 25.01.08г., б)на 15.04.2008 г.
6284 6284
ооо^^юююш 4826 482
Рис. 3. Разностная скоростная модель на период 5.04.08 г — 25.01. 08 г
напряженностью, которая за период между измерениями заметно возросла в юго-западной части.
На горизонте +514,5м. для границы очистного пространства на конец 2007 г методом численного моделирования рассчитаны значения напряжений в массиве (рис. 4)* Напряжения в пределах полигона изменяются в пределах 35—70 МПа. Максимальные значения напряжений сосредоточены в югозападной части сейсмотомографи-ческого полигона, а минимальные — в
* Численное моделирование выполнила к.т.н. И.Э. Семёнова.
юго-восточной части. Область повышенных напряжений (около 50 МПа) расположена в северозападной части полигона. Отмечается удовлетворительное совпадение результатов численного моделирования и сейсмотомогра-фических измерений по локализации максимальных и минимальных напряжений.
16 августа 2008 в блоке 16/19 на гор.+514 м была произведена отбойка запасов со стороны висячего бока, в результате чего образовался участок массива, с тремя свободными поверхностями. Визуальное обследование выработок подэтажа показало наличие на сопряжении БШ 11 с БДО 22 и в БДО 23 вывалов значительного объема пород, которые отделились от массива по взаимно пересекающимся трещинам. При этом характер разрушения указывает скорее на разрушенность и ослабленность массива, чем на наличие концентрации напряжений. Значительная часть сейсмотомографи-ческого полигона была разрушена. В БДО 23 осталось пять реперов возбуждения, а в ТО 13-15 реперов — приёмников сейсмических сигналов. Отдельные реперы оказались на заколах и не имели акустического контакта с массивом. Поэтому для третьего этапа измерений в БДШ 14 размечены и привязаны дополнительные реперы источники сейсмических сигналов с шагом 2 метра. Таким образом геометрия полигона существенно изменилась, что позволило провести только качественное сравнение
что в результате массового взрыва эта ослабленная зон явилась границей, до которой массив пород претерпел значительные разрушения.
Наибольшие изменения отмечены в юго-западной части массива, где измеренные скорости продольных волн не превышают величину 5,1 км/с, что свидетельствует о повышенной трещиноватости пород. Одновременно пригрузился юго-восточный участок массива на сопряжении выработок БДШ 14 и ТО13, ранее оцениваемый как нарушенный. Область повышенных напряжений присутствует и на границе раздела двух нарушенных участков массива. Из всего выше сказанного можно предположить, что одним из последст-Рис 4. Напряженное состоячш пор°д чч ш^тижч вий массового взрыва наибо-+514,5 блока 16/19 по состоянию очистного пространст-
лее четко проявилась дезин-
Граница сейсмотомографического полигона Заколооблазование , шелушение.
ва на конец 2007 г.
геомеханического состояния контролируемого
участка для всех трёх этапов наблюдений.
После отбойки руды 17.10.2008 г. проведён третий цикл измерений, результаты которого приведены на рис. 5.
На представленном рисунке видно, что скоростное поле оставшейся части массива разбито на отдельные локализованные участки. Несмотря на то, что геометрия сейсмических наблюдений изменилась, на третьем этапе прослеживаются такие же, как и на предыдущих двух этапах линейные структуры, совпадающие, предположительно, с тектоническими нарушениями, которые визуально не просматриваются. Очевидно,
теграционная тектоническая структура контролируемого
участка.
Анализ результатов трёх циклов сейсмотомографических исследований уже на втором цикле показал, что массив состоит из отдельных высоконапряжённых блоков, которые разделены зонами ослабленных пород. В таких условиях сильные динамические воздействия на массив могут привести к его разрушению, что и произошло после массового взрыва на участке. Вероятно, следовало отбивать руду
небольшими секциями, как было сделано между первым и вторым этапами. При возобновлении горных работ
2468 2468 2468 2468 2
Рис. 5. Скоростная модель контролируемого уч-ка массива на гор +514,5. на 17.10.2008 г.
на участке возможно дальнейшее раз-
рушение оставшейся части массива, поэтому разгрузочные противоударные мероприятии в этих условиях не эффективны, необходимо крепление этих выработок.
Таким образом, методика сейсмотомографических наблюдений позволяет получить детальную картину параметров состояния пород в массиве на значительной площади. А относительная малая трудоёмкость позволяет проводить мониторинг области активных горных работ и своевременно выявлять удароопасные участки, и своевременно проводить необходимую профилактику.
В заключение следует ещё раз обратить внимание на удовлетворительную сходимость результатов численного моделирования и сейсмото-мографических наблюдений, что подтверждает правомерность использования этих методов для перспективной и оперативной оценки геомеха-нической ситуации в районе ведения горных работ, птш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------
Панин В.И. — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра, е-таіі: trout@goi.kolasc.net.ru .
Старцев Ю.А. — ведущий технолог, Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра, е-таіі: jstar@goi.kolasc.net.ru.
й
