CC BY
17
© A.A. Козырев, В.И. Панин, 2012
УДК 622.831.327
A.A. Козырев, В.И. Панин
ОБЩЕСИСТЕМНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДЛЯ ПРОГНОЗА И ПРОФИЛАКТИКИ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ
Приведены некоторые общесистемные законы и закономерности и их значение в понимании прогноза и профилактики техногенной сейсмичности. Показаны пути снижения геодинамических рисков в геологической среде природно-технических и горно-технических систем.
Ключевые слова: общесистемные законы и закономерности, техногенная сейсмичность, геодинамический риск, горно-техническая система.
Среди множества проблем современной горнодобывающей промышленности острейшей по-прежнему является техногенная сейсмичность - горные удары и техногенные землетрясения. Эта проблема актуальна как для многих регионов России: Хибинские апатитонефелиновые и Ловозерские редкометалльные месторождения, бокситовые рудники СУБРа и железорудные Таштагола, медноникелевые Норильска и Дальнего Востока, а также для многих горнорудных провинций Австралии, ЮАР, Канады, США, Южной Америки и др.
Для разработки способов прогноза и профилактики этих грозных явлений используют, как правило, модели и методологию сейсмологии, поскольку природа тектонических и техногенных землетрясений в общем одна и та же. Однако сама сейсмология в течение многих последних лет переживает кризис, обусловленный отсутствием заметных успехов в прогнозе землетрясений. Апогеем этого кризиса можно считать признание международной группы в составе 10 экспертов из разных стран, созданной по просьбе и поддержке Правительства Италии после разрушительного землетрясения в Ь'АццШа 6 апреля 2009 г., в том
«...что из-за сложности самого процесса подготовки землетрясения и недостаточности наших знаний об этом процессе высоконадёжный прогноз (будет землетрясение или не будет) в обозримом времени не достижим» [1, стр.49]. Комиссия разработала ряд рекомендаций по развитию вероятностных методов прогноза землетрясений и по практическому использованию их результатов.
Как тектоническая сейсмичность является отражением эволюционных процессов в «живой» Земле. [2, 3], так и техногенная сейсмичность является реакцией геологической среды в природ-но-технических и горно-технических системах на крупномасштабные горные работы [4], поскольку «.все более обоснованными становятся взгляды на природный комплекс в целом как на единый громадный живой организм, обладающий способностью к реагированию на ответные неблагоприятные для него реакции» [5, стр. 63].
Для определения стратегии и тактики прогноза и профилактики техногенной сейсмичности представляется целесообразным рассмотреть некоторые общесистемные законы и закономерности применительно к горнотехническим системам [6].
Рис. 1. Схематическое представление эволюции НДС в системе
Рис. 2. Характер распределения с тяжелыми хвостами: п, X - число или вероятность событий с энергией Е или другим значимым параметром П
Во-первых, в настоящее время можно считать аксиомой, что техногенная сейсмичность является отражением эволюции напряженно-деформированного состояния (НДС) геологической среды в природно-технических системах [7].
Во-вторых, для многих систем характерна иерархическая структура, особенно для литосферы Земли. Типичным примером является Хибинский массив, где имеются структуры всех рангов и разной степени активности [8]. Иерархическая структура обусловливает наличие слабых мест в системе, поэтому общеизвестным фактом является приуроченность большинства сейсмических событий к различным тектоническим структурам.
В третьих. для открытых неравновесных систем характерно трехэтапное развитие системы: адаптация-изменчи-
вость-отбор. При этом на этапах изменчивости и отбора большое значение могут иметь различного рода случайные события, выполняющие роль триггер-эффекта, влияние которых будет тем больше, чем в более неравновесном состоянии находится система.
В четвертых, цикличность геофизических процессов в сочетании с ритмичностью горного производства является важным фактором нестабильности системы. Известно, что мощные технологические взрывы, особенно отбойка при очистных работах, оказывают значительное влияние (эффект «потряхивания» систем) на геодинамический режим геологической среды в горно-технической системе. В зависимости от степени неравновесности системы эти взрывы могут осуществлять подкачку энергии в среду или выполнять роль триггер-эффекта.
Таким образом, геомеханическую эволюцию геологической среды в природно-технических и горнотехнических системах можно представить в виде триады: системность-динамизм-самоорганизация [9]. Системность означает изложенный выше системный подход; динамизм - невозможность существования открытых неравновесных систем вне развития; самоорганизация - это присущее всем развивающимся системам свойство.
С позиции универсального эволюционизма и современной концепции развития мира эволюцию НДС геологической среды в горно-технической системе можно представить в виде чередования стадий адаптированного
развития Тдг и бифуркаций (кризисов) Ткр (рис. 1), что определяет диалектическое единство закономерного и случайного в системе.
Важной особенностью статистической модели динамических неравновесных систем, имеющей большое методологическое значение, является их «негауссовость» [10], или распределения с тяжелыми хвостами [11] (рис. 2). Как справедливо отмечается в [12], эта статистика является универсальной и применима ко многим наукам и видам человеческой деятельности.
Однако это не эмпирический закон Гуттенберга-Рихтера, который сам является частным случаем этой закономерности. Из этой модели следуют два важных следствия.
Во-первых, неизбежность различного рода катастроф. Движение и развитие в мире определяются соотношением [13]: т~1/Я, где т - количество факторов или параметров фазового пространства, воздействующих на ход событий; Я, - вероятность судьбоносного события в течение какого-то характерного времени. Благодаря усложнению системы со временем т растёт, а Я, становится всё меньше. «В итоге с трудом прогнозируемое или вообще непредсказуемые «удары судьбы» в значительной степени определяют участь цивилизации и становятся всё более сокрушительными» [13, с. 494].
Во-вторых, из этой статистики следует «фоновый принцип» или фоновая общесистемная закономерность, которая дает возможность при определенных условиях по изучению фона судить о состоянии всей системы [14]. Как электрокардиограмма свидетельствует о состоянии сердечнососудистой системы человека, так и некоторые параметры сейсмического режима геологической среды горно-
технической системы характеризуют геомеханическую ситуацию в ней. Однако при этом следует иметь в виду одно очень важное обстоятельство.
В соответствии с теорией измерений каждый объект характеризуется внешними измеряемыми величинами и внутренними ненаблюдаемыми параметрами [10]. Первые для краткости названы индикаторами, вторые - ла-тентами, по-видимому, производным от латинского слова Ывпйз - скрытый, что является, по нашему мнению, весьма удачным определением. Для формализации связей между индикаторами и латентами к настоящему времени наработано великое множество формализмов, которые в [10] названы метрическими моделями. Соотношение между латентами, индикаторами и метрическими моделями применительно к задачам геомеханики в первом приближении представлены в таблице.
«Ёюбая по-настоящему полезная классификация содержит от трех до шести категорий. Из научного фольклора» [11, с. 11].
Адекватность метрических моделей физической сущности исследуемых процессов определяет надежность оценки изучаемой ситуации и соответствующего прогноза. Поэтому наиболее корректными и надежно определяемыми геомеханическими параметрами являются напряжения, измеряемыми методами разгрузки и гидроразрыва.
Метод разгрузки является в настоящее время общепризнанным и доступным способом получения количественной информации о параметрах поля напряжений в массиве пород, в то время как метод гидроразрыва имеет некоторые ограничения как по условиям его применения [15], так и, главным образом, по сложности технического обеспечения, хотя для
Классификация геомеханических параметров геологической среды природно-технических систем
Латенты Индикаторы Метрические модели
Напряжения Удароопасность Техногенные землетрясения Деформации (методы разгрузки) Давление гидроразрыва скважины (метод гидроразрыва) Параметры упругих волн и электромагнитного излучения (геофизические методы) Разрушения контура горных выработок и скважин, шелушение и стреляние пород Параметры сейсмического режима, деформации Формулы теории упругости + эмпирические коэффициенты Формулы теории упругости Эмпирические статистические связи Эмпирические статистические связи j Эмпирические статистические связи
определений на больших глубинах, например, в скважинах протяженностью до 5000 м [16] он является практически незаменимым.
Надежность оценки степени уда-роопасности определяется четкостью визуальных индикаторов. Отсутствие до настоящего времени адекватных метрических моделей определяет трудности надежного прогноза землетрясений [1] и других типов прогноза [17, 18]. Все эти прогнозы будут иметь вероятностный характер и достоверность их будет определяться числом учитываемых управляющих параметров, о чём уже говорилось выше.
Таким образом, общесистемные законы и закономерности дают возможность понять природу мощных динамических явлений в геологической среде природно-технических и горно-технических систем и более обосновано подходить к их прогнозу и профилактике. Динамические явления в геологической среде при ведении горных работ в высоконапряженных массивах пород неизбежны, поэтому геодинамический риск не может быть нулевым, о чём свидетельствует многочисленная практика как отечественной, так и
зарубежной горнодобывающей промышленности. Для уменьшения этого риска, то есть для обеспечения геодинамической безопасности, необходимо:
• на основе инженерно-геологических, геомеханических и технологических моделей осуществлять геодинамический прогноз - предвидеть наиболее опасные участки геологической среды в геомеханических пространствах рудников или других ответственных объектов подземного строительства;
• определять прогностические модели геомеханической эволюции в конкретных горно-технических системах, для чего необходим геодинамический мониторинг, который должен стать неотъемлемой составной частью технологического процесса; необходимо отметить возрастающую роль и значение мониторинга в геофизике, в том числе и в сейсмологии, целью которого служит выявление общей структурной организации различных физических процессов в сейсмогенерирующей геологической среде [19];
• выявлять индикаторы критического состояния участков геологической среды на основе адекватных
метрических моделей и по ним локализовать наиболее опасные участки;
• разрабатывать профилактические мероприятия по выводу этих участков из критического состояния.
Нам представляется, что такой подход может быть полезным для
1. Соболев Г. А. Концепция предсказуемости землетрясений на основе динамики сейсмичности при триггерном воздействии. - м.: ИФЗ РАН, 2011.
2. Гольдин С.В. Физика «живой Земли» // Проблемы геофизики XXI века. - М.: Наука. 2003. - Кн. 1.
3. Гольдин С.В. Дилатансия, переупаковка и землетрясения //Физика Земли, 2004. — № 10.
4. Сейсмичность при горных работах. Коллектив авторов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002.
5. Астахов А.С. Натурфилосовские основы рационального недропользования // Рациональное освоение недр, 2011. — № 2.
6. Панин В. И. Системные законы и закономерности в геомеханике //Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов. - Апатиты-СПб, 2011.
7. Мельников H.H., Козырев А.А., Панин В.И. Техногенная сейсмичность как отражение эволюции напряженно-деформированного состояния геологической среды в горнорудной природно-технической системе. // Тектонифизика и актуальные вопросы наук о Земле. - М.: ИФЗ РАН, 2009. - Т.2.
8. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках. - М.: АГН, 1997.
9. Ровинский P.E. Самоорганизация как фактор направленного развития // Вопросы филисофии, 2002. — № 5.
10. Хайтун С.Д. Феномен человека на фоне универсальной эволюции. М.: Ком-Книга, 2005.
большего взаимопонимания специалистов, работающих в этой сложной и актуальной области горной науки и практики, что может способствовать более успешному решению проблемы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
11. Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Распределения с тяжелыми хвостами: приложения к анализу катастроф. Вычислительная сейсмология - М.: ГЕОС, 2007. - Вып. 38.
12. Стаховский И. Р. Самоподобная сейсмогенерирущая структура земной коры: обзор проблемы и математическая модель. // Физика Земли, 2007. - № 12.
13. Силин A.A. Энтропия, вероятность, информация // Вестник РАН, 1994. - Т. 64. - № 6.
14. Спивак A.A. Динамические процессы в земной коре // Геофизика межгео-сферных взаимодействий. - М.:ГЕОС, 2008.
15. Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса. МГ 41-06679-86. М.: ВНИИгеоинформсистем, 1987.
16. Haimson B.C. The hydrofracturing stress measurement method and recent field results / International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanical Abstracts. 1978. - V. 15. - № 4.
17. Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза / /Вестник РАН, 2001. - Т. 71. - № 3.
18. Ойзерман Т.И. Возможно ли предвидение отдаленного будущего? // Вестник РАН, 2005. - Т. 75. - № 8.
19. Шуман В.Н. Геосреда как открытая нелинейная диссипативная динамическая система - задачи идентификации, возможности управления, прогноз эволюции (обзор) // Геофизический журнал 2011. - Т. 33. - № 5. \ГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев Анатолий Александрович—доктор технических наук, профессор, [email protected], Панин Виктор Иванович — ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра Российской Академии наук, [email protected].
