CC BY
22
УДК 622.272:537.852 О.А. Хачай, О.Ю. Хачай
ОБНАРУЖЕНИЕ КРАТКОСРОЧНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ СИЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО МОНИТОРИНГА В УДАРООПАСНЫХ МАССИВАХ РАЗЛИЧНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА *
Проведен анализ морфологии структурных особенностей зон дезинтеграций перед сильным динамическим явлением.
Ключевые слова: динамические явления, высоконапряженные массивы, зоны дезинтеграции, геофизический мониторинг.
Семинар № 3
O.A. Hachay, O. Y. Hachay THE REVELATION OF SHORT TERM SIGNALS OF INTENSE DYNAMIC OCCURRENCES BASED ON THE DATA OF ELECTROMAGNETIC AND INDUCTIVE MONITORING IN BUMP HAZARDOUS ROCK MASSES OF DIFFERENT COMPOUNDS
The analysis of the morphology of the structural features of disintegration areas before intense dynamic occurrence is conducted.
Key words: dynamic occurrences, high voltage rock masses, disintegration areas, geophysical monitoring.
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-05-00149-а
Одной из фундаментальных проблем горного дела, которые традиционно относят к проблемам геомеханики, является разработка теоретических и экспериментальных методов изучения строения и состояния массивов горных пород с целью прогноза и предотвращения катастрофических явлений при отработке месторождений. Эта проблема усложняется тем, что массив горных пород находится под прямым или косвенным техногенном воздействии, что приводит к
существенной нестационарности как строения, так и состояния массива. Идейным вдохновителем поиска комплексного геофизического и геомеханического подходов к решению этой проблемы на Урале был Н.П. Влох [1].
Анализ проявлений горных ударов в выработках шахт Октябрьского месторождения Норильского рудного узла показал, что более 60% их приурочено к тектоническим нарушениям. Шелушение пород и интенсивное заколообразо-вание происходят, в основном, в выработках, расположенных вне зоны влияния очистных работ на расстоянии 10-12 м от поверхности тектонического нарушения. В рудах и породах средней на-рушенности динамические явления доминируют в районах сопряжения выработок и сопровождаются обрушениями массива. При пересечении выработками участков массива с нарушениями, имеющими две и более плоскостей смещения, с зоной перемятых и раздробленных пород, наблюдаются обрушения из кровли и вывалы с бортов, сопровождающимися динамическим эф-
фектом и достигающие значительных объемов [2].
При ведении горных работ в высоконапряженных массивах скальных пород проявляется техногенная сейсмичность, вопросам прогноза и профилактики которой уделяется много внимания во всех странах с развитой горнодобывающей промышленностью. Важная роль здесь принадлежит краткосрочному прогнозу, методика выделения критериев для него все еще является проблемой как в горном деле, так и в сейсмологии.[3]. С точки зрения парадигмы физической мезомеха-ники, включающей в себя синергетический поход к изменению состояния массивов горных пород различного вещественного состава, эту проблему можно решить с помощью методов мониторинга, настроенных на изучение иерархических структурных сред [4-5]. Изменения в среде, приводящие к краткосрочным предвестникам динамических явлений объясняются в рамках концепции само-организованной критичности [6-7], для которой узловыми моментами являются неоднородность и нелинейность [библ.[3]].
В рамках школы ИГД СО РАН развивается новое направление изучения состояния массива горных пород, называемое нелинейной геомеханикой [8]. Однако нам представляется, что большего успеха можно достичь в комплексе с геофизическими исследованиями, методики проведения которых опираются на модель среды с иерархической структурой. Если же нас интересует дополнительно эволюция этой структуры, то необходимо использовать комплексные геофизические методики, обладающие разрешающей способностью выявления зарождения и распада самоорганизующихся структур [1].
Впервые именно при использовании разработанной в ИГФ УрО РАН по-
планшетной электромагнитной методики удалось в рамках натурных исследований реализовать идею выявления зон дезинтеграции в массиве горных пород и организовать мониторинг их морфологии [9,10]. Используемая методика относится к геофизическим методикам неразрушающего контроля. Она отличается от известных ранее методик просвечивания или томографии системами наблюдения и последующим методом интерпретации, основанной на концепции трехэтапной интерпретации [11-12].
В работе [13] описаны первые натурные результаты по обнаружению явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии и способу разработки критериев устойчивости на основе предложенной методики классификации. Эти результаты получены на основе анализа нескольких циклов электромагнитного мониторинга массива удароопасного Таштагольского подземного рудника, проведенных в 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 гг. в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубинах от 540 до 750 м, с целью выявления морфологии зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве в массиве горных пород, находящемся под интенсивным техногенным воздействием и влиянием естественного поля напряжений.
В работе [1] проведены исследования нацеленные на разработку критериев пространственно-временного комплексного активного и пассивного сейсмического и электромагнитного мониторинга для предотвращения разрушительных динамических явлений на основе шестилетних данных сейсмологического мониторинга, проводимого службой горных ударов на Таштагольском подземном руднике и полученного опыта использования разработанной в ИГФ УрО РАН системы индукционного электромагнитного пространст-
венно-временного мониторинга на массивах различного вещественного состава до и после массовых взрывов.
Проведенный анализ комплексных данных позволил сделать следующие выводы:
- при отработке конкретного блока массива весь массив шахтного поля испытывает изменение напряженно-деформированного и фазового состояний от взрыва к взрыву;
- количество поглощаемой и отдаваемой массивом энергии не равно друг другу и поэтому в массиве происходит накопление энергии;
- процесс отдачи энергии происходит с запаздыванием и сильно зависит от градиента поглощаемой энергии от массовых взрывов;
- в массиве возникают зоны динамического затишья. Эти зоны следует отслеживать с помощью данных сейсмологического мониторинга, используя параметры предложенные в [1];
- после выхода из минимума затишья необходимо в течение недели или двух
недель до момента технологического обрушения проводить пространственновременной активный электромагнитный или сейсмический мониторинг по выявлению зон потенциальной неустойчивости второго ранга;
- эти зоны могут быть после массового взрыва обрушения источниками сильных динамических явлений.
Настоящая работа посвящена анализу морфологии структурных особенностей зон дезинтеграций перед сильным динамическим явлением. При проведении очередного цикла электромагнитных наблюдений на Таштагольском руднике в августе 2007г. 9 августа произошел горный удар с энергией ^ E=6.9 в целике, расположенном в створе орта 3 на уровне 16м ниже почвы горизонта -280 (рис. 1, N=108, рис. 2).
Анализ второй кривой (рис.1) демонстрирует неравномерность коли чества слабых динамических явлений в массиве всего шахтного поля с энергией lgE < 6 во времени. Так, после массового взрыва в эти же сутки было зарегистрировано 42 явления,
Номера динамических явлений N
Рис. 1. Распределение по энергиям динамических явлений в массиве Таштагольского рудника после массового взрыва (N=1). (Данные из сейсмологического каталога Таштагольского рудника, авторы Климко В.К., Шипеев О. В.)
Рис. 2. План расположения ортов горизонта -210. Орты (3-5,12-16)-северо-западный участок предстоящей отработки, орты 2-4 - участок старой отработки месторождения
Рис. 3. Геоэлектрический разрез по профилю орт 4, гор.-210, Северо-западный участок (рис.2), а)
6 августа, б) 8 августа 2007г., частота 10.15 кГц
Рис. 4. Геоэлектрический разрез по профилю орт3, гор.-210, Северо-западный участок (рис.2),
7 августа 2007г., частота 5.08 кГц
на следующие сутки - уже 17, далее это количество в следующие сутки еще более уменьшается. Перед горным ударом наблюдается существенное разрежение количества динамических явлений - зона затишья. В течение суток, когда произошел горный удар после него наблюдалось 12 слабых динамических явлений, аналогично тому, как это происходило на третьи сутки после массового взрыва.
За трое суток до горного удара в ортах 3,4 в геоэлектрических разрезах почвы обнаруживаются субвертикальные дискретные структуры, в которые объединились зоны дезинтеграции. Эти структуры проявились в резонансном режиме на разных частотах и только на одной частоте для каждого из ортов. Это же явление мы обнаруживали ранее за одни сутки на шахте Ес-тюнинская и СУБРе шахта 15 [14]. Появление этих структур субвертикальной
морфологии - предвестник сильного динамического явления, однако для определения места и магнитуды события необходимо иметь информацию о состоянии массивов ортов и принадлежности к соот-ветсвующим рангам об устойчивости массива, как это было сделано в работе [15].
На рис. 5 приведено сравнительное с 2000 по 2007 г. распределение параметра поинтервальной интенсивности ( в 2007 г. приведены результаты по данным электромагнитных измерений до и после горного удара) в почве массива орта 2, горизонта -210 на двух частотах: 5.08 и 20 кГц. По классификации [15] состояние массива было определено как квазиустойчивое. Полученные результаты показывают, что несмотря на очень близкое расположение этого орта к месту, где произошел горный удар, массив практически остался в состоянии, описываемой градацией квазиустойчивый.
б)
Рис. 5. Распределение параметра поинтервальной интенсивности Spint за 8 циклов наблюдения в массиве 2-го орта, горизонта -210, Таштагольский рудник по данным электромагнитного индукционного мониторинга. а) наблюдения 2 августа 2007г., частота 5 кГц ,б) 13 августа 2007г., частота 20 кГц
За промежуток времени со 2 августа по 13 августа 2007г. максимум параметра Spint переместился с 4-го интервала (3м-4м) на первый (0-1м) без увеличения его амплитуды.
Таким образом введение в систему отработки предлагаемого комплексного пассивного и активного геофи-
зического мониторинга, нацеленного на изучение переходных процессов перераспределения напряженно-
деформированного и фазового состояний может способствовать предотвращению катастрофических динамических проявлений при отработке глубокозалегающих месторожде-
Среднегодо-
вая
ний. Методы активного геофизического мониторинга должны быть на-
1. Хачай О.А. Проблема изучения переходного процесса перераспределения напряженного и фазового состояний массива между сильными техногенными воздействиями.//Горный информационно-аналитический бюллетень 2006, №5, с. 109-115.
2. Егоров П.В., Редькин Г.М. Мониторинг горных ударов при разработке рудных залежей с блочной структурой.// Международная конференция "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли". Новосибирск СО РАН, 2-4 октября 2001. с.309-314
3. Козырев А.А., Савченко С.Н., Панин В.И., Мальцев В.А. Особенности прогноза и профилактики мощных динамических явлений в природнотехнических системах.//Там же, с. 326-334.
4. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т.1, Новосибирск Наука, СО РАН, 1995, 297с.
5Хачай О.А. Геофизический мониторинг состояния массива горных пород с использованием парадигмы физической мезомеханики// Физика Земли, 2007, №4, с.58-64.
6. Олемской А.И., Кацнельсон А.А. Синергетика конденсированной среды.Москва, УРСС, 2003,с.335.
7. Климонтович Ю.Л. Введение в физику открытых систем Москва, “Янус-К”, 2002, с. 282.
8. Курленя М.В., Опарин В.Н. Современные проблемы нелинейной геомеханики. Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 1999г. С.5-20.
9. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве массивов
строены на модель иерархической неоднородной среды.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
горных пород различного вещественного состава. // Горный информационный аналитический бюллетень. 2003, №11, с.26-29.
10. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели. // Геомеханика в горном деле. Екатеринбург. ИГД УрО РАН, 2003. с. 30-38.
11. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологической гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной иерархической модели // Российский геофизический журнал , 2004, № 33-34, С.32-37.
12. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. // Физика Земли, 2001,№2, с.85-92.
13. Хачай О.А. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии. // Физическая мезомеханика 7, Спец.выпуск, Ч.2., 2004, С.292-295.
14. Результаты геофизических и геологических исследований на шахте Естюнинская. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю., Кононов А.В., Наседкин В.Г.// Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Четвертые научные чтения памяти Ю.П.Булашевича, 02-06 июля 2007 г. Екатеринбург 2007. с. 197-199.
15. Хачай О.А. Исследование развития неустойчивости в массиве горных пород с использованием метода активного электромагнитного мониторинга. //Физика Земли. 2007, №4, с.65-70. ЕШ
|- Коротко об авторах
Хачай О.А.- доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН, [email protected]
Хачай О.Ю. - аспирант математико-механического факультета УрГУ, [email protected]
