CC BY
22
© В.И. Панин, B.B. Рыбин, К.Н. Константинов, Ю.Д. Старцев, A.A. Данилкин, A.B. Кожуховский, 2013
УДК 622.831
В.И. Панин, В.В. Рыбин, К.Н. Константинов, Ю.А. Старцев, А.А. Данилкин, А.В. Кожуховский
КОНТРОЛЬ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ В БОРТУ КАРЬЕРА ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Представлены результаты многолетних непрерывных исследований геомеханического состояния массива горных пород геофизическими методами. Приведены результаты определения напряжённо-деформированного состояния (НДС), результаты оценки упругих характеристик массива горных пород ультразвуковым методом, скоростные модели контролируемого сейсмотомографическим методом участка борта карьера. Находит своё подтверждение представления массива пород как иерархически-блочной среды, в которой действует поле напряжений гравитационно-тектонической природы. Показана важная роль геофизических методов контроля при оценке геомеханического состояния массива пород в борту карьера. Ключевые слова: геомеханика, борт карьера, напряженно-деформированное состояние, геофизические методы, безопасность горных работ.
В мировой практике ведения горных работ открытым способом наблюдается устойчивая тенденция увеличения глубины разработки месторождений полезных ископаемых, что зачастую сопровождается необходимостью увеличения генеральных углов наклона бортов карьеров на конечном контуре [1]. Для обеспечения безопасности ведения горных работ и сокращения экономических потерь углы наклона различных участков бортов карьеров на конечном контуре необходимо определять в соответствии с геомеханическим состоянием массива вмещающих горных пород [1—3].
Горный институт Кольского научного центра РАН с 80-х годов прошлого столетия проводит исследования, направленные на обоснование возможности формирования наиболее рациональных конечных контуров действующих и проектируемых рудных карье-
ров. Важная роль в этих исследованиях принадлежит определению состояния массива пород натурными методами. К настоящему времени большой объём экспериментальных определений геомеханической ситуации выполнен в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК». В результате проведённых исследований, выполненных комплексом натурных методов, был сделан вывод о возможности применения в карьере рудника «Железный» уступов с вертикальными углами откосов, и на этой основе — формирования борта карьера новой конструкции [1]. В подобных условиях для обеспечения безопасности горных работ необходимо вести непрерывный контроль геомеханического состояния прибортовой части карьера комплексом экспериментальных методов, среди которых наиболее эффективными являются метод разгрузки, сейсмическая томография и ультразвуковой метод.
Концепция геомеханического обоснования параметров бортов карьеров в скальных породах, разработанная в Горном институте КНЦ РАН, и основанная на представлении массива пород как иерархически-блочной среды, в которой действует поле напряжений гравитационно-тектонической природы, находит свое подтверждение в данных о действующих в массиве пород напряжениях, полученных в результате многолетних исследований, выполненных методом разгрузки в карьере рудника «Железный» [2, 4]. Этот метод изучения НДС нашел широкое применение и на других рудниках Кольского полуострова, ведущих горные работы как открытым, так и подземным способами [5].
Необходимо отметить, что контур карьера рудника «Железный» охвачен исследованиями равномерно. Достаточно полно изучен борт карьера, поставленный на конечный контур в интервале горизонтов ориентировочно + 170 м^+10 м. В то же время пока не изученными остаются глубинные горизонты, где конечный контур ещё не сформирован.
На рис. 1 приведены результаты анализа НДС массива пород и районирование карьера с точки зрения уровня действующих напряжений. Более тёмный цвет соответствует более благоприятным зонам, менее тёмный - менее благоприятным. Окраска отсутствует в местах, где исследования предполагается проводить в ближайшее время (глубинные горизонты карьера). На основе анализа полученных данных можно
заключить, что наибольшие по абсолютному значению напряжения действуют в пределах участков №№ 1, 2, 7. В пределах этих участков массив пород умеренно сжат, а максимальная
Рис. 1. Районирование карьера по величинам действующих напряжений
компонента главных напряжений отах - субгоризонтальна. В пределах участков №№ 3, 5 и 6 напряжённое состояние массива пород характеризуется меньшими значениями действующих напряжений, имеют место локальные зоны растяжений, а отах в половине измерений субвертикальна. Анализ данных о действующих в массиве пород напряжениях показывает, что северная часть участка № 2 явно тяготеет к участку № 1, а южная часть участка № 2 - к участку № 3. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о сопоставимости распределения действующих в массиве пород напряжений южного и северного участков борта.
В целом, результаты измерений подтверждают действие в массиве пород Ковдорского месторождения поля напряжений гравитационно-тектонического типа, что является важным фактором при оценке устойчивости борта карьера.
графических измерений:
• • • • - источники и приемники сейсмосиг-налов, ^^ плоскость исследования
Наряду с изучением распределения напряжений, действующих в массиве пород всего карьерного поля, не менее важной представляется задача геофизического контроля качества геологической среды в массиве пород на выявленных потенциально неустойчивых участках борта карьера. Одним из современных способов 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 [6]. Сейсмическая томография позволяет определить структуру массива, которая существенно влияет на его НДС, выявить высокопрочные и ослабленные участки не только на контуре выработки, но и в глубине массива.
С учетом значительных размеров контролируемой площади и относительно малой трудоемкости измерений сейсмотомографический метод зарекомендовал себя как эффективный способ оценки и контроля геомеханической ситуации при ведении горных работ, что было подтверждено успешным его использованием на
подземных апатитовых рудниках [7, 8, 9], а также при строительстве и эксплуатации горнотехнических систем и объектов гидроэнергетики [10].
Испытания сейсмотомографиче-ского метода в карьере рудника «Железный» проведены в период с 2006 по 2011 гг. на организованном полигоне гор.+118 м северо-западной части борта [11]. Измерения проводили по методике профилирования, при этом возбуждение и приём упругих колебаний осуществляли вдоль общего профиля (рис. 2). Размеры контролируемого объёма массива по длине исследуемого участка составляет 160 м, по глубине исследуемого участка от контура уступа - порядка 30 м. Ежегодные серии наблюдений выполняли в летний период - в июле в период с 2007 по 2011 гг.
Исследования показали заметное различие между результатами ежегодных измерений, которое может быть обусловлено техногенными и экзогенными факторами при условии идентичности всех циклов определений (рис. 3). Техногенный фактор наиболее четко отразился на результатах измерений в 2009 г., когда под контролируемым участком был взорван очередной добычной блок. Это привело к значительному увеличению низкоскоростных площадей по всему контролируемому участку.
Экзогенный фактор сводится в основном к вариациям водопритоков в пределах контролируемого участка. Поскольку эти водопритоки могут быть регулируемыми, то экзогенным этот фактор можно считать весьма условным. Тем не менее, когда в 2010 г. водоприток был уменьшен, то результаты измерений в 2011 г. показали, что скоростное поле в основном приобрело первоначальный вид. Следует
5-Цг -5-10-
20 |
40
|
щ |
30
100 __1__
120 _I_
140
_I_
160 1
Контур, уступа
-5 -10
Контур уступа
2011
Рис. 3. Результаты сейсмотомографических измерений в период 2007 - 2011 гг. (скоростные модели контролируемого участка)
заметить, что на всех этапах измерений сохранялись высокоскоростные участки, характерные для более прочных монолитных пород, которые образуют как бы основную несущую конструкцию этого участка, то есть имеет место геомеханическая самоорганизация геологической среды в процессе её эволюции за этот пятилетний период. При этом высоко- и низкоскоростные участки в геологической среде могут быть обусловлены известной неоднородностью физических свойств горных пород, а изменение их местоположения при различных измерительных циклах может быть следствием неидентичности условий возбуждения и приема упругих волн. Однако взаимосвязь миграции этих участков с изменением геомеханической ситуации в контролируемом объеме массива пород в большей мере свидетельствуют в пользу геомеханической самоорганизации среды, что подтверждено результатами многолетних сейсмотомографических наблюдений на подземных апатитовых рудниках. Опыт применения сейсмо-томографического метода на северо-западе карьера планируется использовать в юго-восточной его части, в зоне ранее выявленных деформаций и обрушений [12] (рис. 1 (южная часть участка №3)).
В настоящее время юго-восточный участок борта находится под непрерывным контролем микросейсмической системы [13]. В декабре 2012 года массиве пород была зафиксирована активизация сейсмической активности, проявившейся в серии сейсмических событий высокого энергетического класса. Кроме того, ранее здесь была выявлена зона параллельных сближенных трещин, образующих плоскость ослабления, ко-
торая по параметрам залегания относительно конечного контура карьера может представлять некоторую опасность для устойчивости группы уступов. В связи с этим в настоящее время ведется активная работа над организацией на юго-восточном участке борта карьера комплексной системы геомониторинга, включающей кроме сейсмотомографического метода и микросейсмической системы так же геодезические методы контроля, в том числе основанные на методах спутниковой геодезии [14].
Ультразвуковой метод позволяет оценивать геомеханическое состояние массива пород в приконтурной зоне борта по величинам упругих волн в массиве пород из упругих характеристик массива пород. Эффективность применения данной методики подтверждается многолетними исследованиями, проводимых на подземных и открытых рудниках Кольского региона [15].
Основную информацию о свойствах пород в прискважинной зоне несет продольная (Р-волна), которую отличает относительно малая амплитуда и максимальная скорость распространения. В карьере рудника «Железный» использовали скважин-ный вариант ультразвуковых определений (ультразвуковой каротаж). В результате многолетних исследовани-ий ультразвуковым методом охвачено около 70 % от всего контура карьера, находящемся в конечном положении. Представляется интересным сравнение величин скоростей продольной волны на образцах керна основных литотипов (ийолит, карбонатит, пи-роксенит, слюдит, фенит), слагающих массив горных пород в борту карьера, с результатами натурных опреде-
4.5
3.5
;
гч г*} V} Т| С СС С*. С:
1Я М № И
глубина, м
скважин в нарушенной взрывными работами зоне, в зоне контактов различных литотипов, а также сильнотрещиноватые участки, где прохождение ультразвуковой волны сильно затруднено. На таких участках значения скоростей продольной волны существенно снижаются. На рис. 4 представлены графики распределения скоростей продольной волны по профилю на примере контрольных скважин юга 6 участка (25КД) и 7 участка (9КД) (см. рис. 1). Скважина 25КД пробурена преимущественно в карбонати-тах, характеризующегося значением 4.4 км/с на керне, при этом в массиве она варьирует в пределах от
Рис. 4. Скорости прохождения продольной волны Vp 4,8 км/с д° 5,4 км/с (рис. 4 в приконтурном массиве скважин №№25КД (а) и 9КД а). Скважина 9КД пройде-(б) на преимущественно по
пироксенитам, для образцов которого 4.9 км/с, при этом в массиве Ур достигает 6,5 км/с.
Опыт применения методов геоконтроля различного масштабного уровня при геомеханической оценке состояния геологической среды показывает важную их роль при разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости бортов карьеров, свидетельствует об эффективности их использования на локальных участках борта карьера для оперативного контроля с целью прогноза катастрофических последствий в случае потери устойчивости уступов или групп уступов. Кроме того, данные, получаемые в процессе многолетних
лений, выполненных в контрольных скважинах. При этом главным условием сравнения являлось идентичность наименования литотипов в скважинах и в образце керна. В результате установлено превышение значений скорости прохождения продольной волны Ур в массиве над измеренными в образцах на 10-30% по всем литотипным разностям, что однозначно свидетельствует о действии гравитационно-тектонического поля напряжений в массиве пород, слагающих борт карьера рудника «Железный». Исключение составляют локальные участки, находящиеся в непосредственной близости от устья
исследований НДС массива пород и его упругих характеристик, являются весомым аргументом для обоснова-
1. Мельников Н. Н. , Козырев А А. , Ре-шетняк С. П. , Каспарьян Э. В. , Рыбин В. В. , Мелик-Гайказов И. В. , Свинин В. С. , Рыжков А. Н. Концептуальные основы оптимизации конструкции бортов карьеров Кольского полуострова в конечном положении. Труды 8-го международного симпозиума «Горное дело в Арктике», Санкт-Петербург: изд. «Типография Иван Фёдоров», - 2005. - с. 2-14.
2. Козырев А. А., Рыбин В. В., Константинов К. Н.. Оценка геомеханического состояния законтурного массива горных пород в борту карьера комплексом инструментальных ме-тодов/ГИАБ №10, Москва, 2012,-с. 113-119.
3. Яковлев А. В., Ермаков Н. И. Устойчивость бортов рудных карьеров придействии тектонических напряжений в массиве.-Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2006. - 231 с.
4. Руководство по измерению напряжений в массиве скальных пород методом разгрузки (вариант торцевых измерений)/ Горнометаллургический институт, КФАН СССР. Апатиты, 1970 г. — 50 с.
5. Методические основы технологии эффективного и безопасного освоения глубоких горизонтов месторождений полезных ископаемых открытым способом / А.А. Козырев, В.В. Рыбин, Д.В. Жиров, А.Ё. Билин, А.Н. Виноградов, Э.В. Каспарьян, Ю.А. Виноградов, И.Э. Семенова, А.М. Жирова // Вестник МГТУ, 2009, том 12, №4, с. 644-653.
6. Сейсмическая томография. С приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике. - М.: Мир, 1990.
7. Панин В.И., Старцев Ю.А. Изучение процессов эволюции геологической среды методами сейсмической томографии при ведении горных работ // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: ИГД, 2008.
8. Панин В.И., Старцев Ю.А. Контроль динамики напряженно-деформированного со-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
ния возможности применения различных вариантов конечного контура карьера.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
стояния геологической среды при горнык работах методом сейсмической томографии // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011. № 9.
9. Панин В.И., Старцев Ю.А. Сейсмотомо-графический контроль динамики состояния горных выработок на апатитовых рудниках. // Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2009.
10. Абрамов Н.Н. Епимахов Ю.А. Геофизический мониторинг при строительстве и эксплуатации объектов горнопромышленного комплекса и гидроэнергетики. - Апатиты: КНЦ РАН, 2010.
11. Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Старцев Ю.А. Применение сейсмотомографических исследований для геомеханического мониторинга участка борта карьера // Вестник Кольского научного центра РАН, 2011. № 3.
12. Каспарьян Э.В., Рыбин В.В., Старцев Ю.А. Применение сейсмотомографических исследований для геомеханического мониторинга участка борта карьера // Вестник Кольского научного центра РАН, 2011. - №3(6). - С. 30-33.
13. Каган М.М., Козырев А.А. Особенности сейсмического режима массива горных пород в приконтурной зоне карьера: тез. докл. VIII Междунар. школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород», 24-29 мая 2010 г. - С. 42.
14. Козырев A.A., Рыбин В.В., Жиров Д.В., Билин А.Д., Виноградов А.Н., Каспарьян Э.В., Виноградов Ю.А., Семёнова Н.Э., Жи-рова А.М. Методические основы технологии эффективного и безопасного освоения глубоких горизонтов месторождений полезных ископаемых открытым способом. Вестник Мурманского государственного технического университета. 2009. Т. 12. № 04. С. 644-653.
15. Турчанинов И.А., Панин В.И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве.-/!.: Наука, 1976. [ДНИ
Панин Виктор Иванович — кандидат технических наук, Рыбин Вадим Вячеславович — кандидат технических наук, Константинов Константин Николаевич, Старцев Юрий Алексеевич —
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, [email protected] Данилкин Алексей Анатольевич, Кожуховский Алексей Владиленович — Ковдорский ГОК.
