CC BY
20
- © В.А. Штирп, A.A. Еременко, В.А. Еременко,
А.Н. Александров, A.A. Беспалько, Л.В. Яворовнч, 2013
УДК 622.272
В.А. Штирц, А.А. Еременко, В.А. Еременко, А.Н. Александров, A.A. Беспалько, Л.В. Яворович
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПАСНЫХ ЗОН В РАЙОНЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДАМИ
Проведены экспериментальные исследования по определению опасных зон в районе тектонических нарушений методами электрометрии и электромагнитной эмиссии. Определены участки с повышенной концентрацией напряжений и зоны разгрузки от происшедших динамических явлений. Установлено, что периоды зажима разломов обусловлены ведением очистных работ. Выявлены спектральные характеристики электромагнитной эмиссии в районе тектонических нарушений. Ключевые слова: напряжение, горные породы, эмиссия, электрометрия, динамические явления.
Зкспериментальные исследования по установлению опасных зон в районе тектонических нарушений включают: выделение тектонических нарушений; оценку геомеханического состояния массива горных пород электрометрическим и электромагнитным методами; регистрацию геодинамических событий в шахтном поле месторождения с помощью сейсмостанции «Таштагол».
Экспериментальные исследования по установлению опасных зон в районе выделенных тектонических нарушений, которые расположены друг от друга на расстояниях от 90 до 270 м и более, предусматривается провести на Таштагольском ударо-опасном месторождении при отработке Восточного рудного участка.
Оценка уровня напряженного состояния в районе тектонических нарушений производится электрометрическим методом аппаратурой АНЧ-3. Расстояние между приемными элек-
тродами было больше мощности разрывных нарушений, а расстояние между токовыми электродами (АВ) равно высоте отрабатываемого этажа в шахте. Измерение в массиве горных парод электросопротивления выполняется после различных этапов технологического цикла или два раза в месяц.
В связи с высокой тектонической нарушенностью горных пород в районах тектонических нарушений проводятся исследования методом глубинных реперов по станциям, пересекающим разломы и оперяющие трещины (рис. 1). Методики экспериментальных исследований методом электромагнитной эмиссии включают: измерение электромагнитных сигналов с помощью индукционных или емкостных датчиков в диапазоне частот 1-100 кГц; измерение сейсмических сигналов с использованием электромагнитных сейсмических датчиков и аппаратуры селекции и накопления сейсмических сигналов.
Рис. 1. Схема расположения станций глубинных реперов на гор. -280 м; ММ 7+16 - станции; I - тектоническое нарушение
Рис. 2. Схема расположения опасных тектонических зон, пересекающих шахтное поле месторождения на горизонте. 3-29 — орты
При отработке Восточного участка Таштагольского месторождения выделены тектонические зоны, пересекающие рудные тела и вмещающий
массив горных пород (рис. 2): ЗР — разлом Западный; Л — разлом Диагональный; 2 Л — геологическое нарушение; 3Д — пологое геологическое
нарушение; НР — разлом Нагорный; ОЗ — оперяющая зона тектонического нарушения.
Оценка уровня напряженного состояния в районе тектонических нарушений производилась электрометрическим методом в вариантах подземного электрозондирования и электропрофилирования. Электрометрические исследования показали, что шов тектонической зоны является электрически плохо проводящей средой. Электропроводность зоны меняется в зависимости от уплотнения и разуплотнения контакта крыльев бортов в результате их взаимных подвижек. В исследуемых участках зон изменение контактной плотности приводит к изменению электросопротивления вдоль плоскости смесителя на несколько порядков на глубине зондирования. Выполняются зондирования по крутопадающим зонам: Лиаго-нальному разлому (ЛЗ) зоне 3Л, оперяющей зоне (ОЗ). Центры наблюдений расположены на разных горизонтах вдоль зон в рудном массиве (рис. 3), направление разноса электродов пересекают исследуемую зону, электроды располагаются по разные стороны от плоскости смесителя разрывного нарушения.
Анализ данных измерений подтверждает большое значение тектонических зон в формировании поля напряжений в горном массиве. Измеренные электрические параметры меняются в больших пределах, что указывает на процессы сжатия или растяжения, происходящие в крыльях нарушений.
При анализе крупнобазовых измерений были просчитаны рср - среднегодовое электросопротивление по глубинам зондирования в течение месячных периодов. На рис. 4 представлены графики рср. по центрам зондирования по месяцам. По гор. -
140 м крупнобазовые зондирования выполнялись по двум тектоническим зонам - 3 Л и оперяющей зоне (ОЗ). Результаты наблюдений показывают, что по зонам прошел значительный процесс разгрузки. В зажатом состоянии на глубинах 7; 9; 11; 13; 15 м находилась зона 3 Л по центрам №№ 5, 6, 2 - район Северо-Западного полевого штрека в створе ортов 7, 9 и запад ортов 5, 6. Наличие пригрузки по 3 Л осложнит подготовку блоков при отработке.
В зажатом состоянии на глубинах 7; 9; 11; 13; 15 м остается зона 3 Л по центрам №№ 5, 6, 2 - район Северо-Западного полевого штрека в створе ортов 7, 9 и запад ортов 5, 6. Наличие пригрузки по зоне 3 Л осложняет подготовку блоков.
Полученные результаты электрометрических исследований показали, что горные работы по подготовке блоков необходимо вести только после очередного массового взрыва. Массовый взрыв приведет не только к перемещению напряжений и снятию их с указанной зоны 3 Л, но и позволит снизить влияние оперяющей зоны (ОЗ), пересекающей блоки. На протяжении всего времени отработки северного фланга оперяющая зона проявляла себя, как динамически активная.
По гор. -210 м крупнобазовое зондирование проводилось по Лиаго-нальному разлому (ДР). Установлено, что с развитием фронта очистных работ по Лиагональному разлому, в пределах наблюдаемых центров, происходил процесс разгрузки. К концу октября почти по всем центрам отмечается разгруженное состояние массива, причиной этого является снятие опорных нагрузок с крыльев тектонического нарушения, перемещение зоны опорного давления на северный и южный фланги шахтного поля.
б
ю
£ — ■ - —140 -6 -rop™ "»«¿«»Я, С ,Ю - соответственно север, запад, восток, „г
-280 м, 1-18
Рис. 4. Графики изменения среднемесячных электросопротивлений по глубинам зондирования
С северной стороны напряжения по Диагональному разлому (ДР) ушли за пределы шахтного поля. С южной стороны наибольшие напряжения приходятся на массив вмещающих пород западнее и южнее выработок Южного треугольника.
По гор. -280 м крупнобазовое зондирование проводилось по Лиаго-нальному разлому (ДР) (рис. 3). В центре очистной выемки по ортам 15, 16, 18 отмечается разгрузка массива, раскрытие тектонической зоны. В торцах очистного пространства происходит процесс пригрузки массива. По Юго-восточному полевому штреку в стволе ортов 25-26 (рис. 4), фиксируются самые низкие значения рср за весь период наблюдений. Самый северный центр наблюдений за Диагональным разломом (ДР), распложен в
орте 14 гор. -280 м. Данные измерений показывают, что здесь сохраняется пригруженное состояние горных пород. Процесс перераспределения опасных зон сопровождается толчками, прекращение которых в данном районе следует ожидать после того, как крупнобазовым зондированием будет отмечена разгрузка тектонической зоны.
Следует отметить, что результаты крупнобазовых зондирований по тектоническим зонам позволяют получить качественную характеристику распределения опасных зон в горном массиве: определить положение очагов возможных горных ударов; выделить участки повышенных концентраций напряжений при изменении фронта очистных работ; определить зоны разгрузки от предыдущих динамических явлений или массовых взрывов.
Анализируя данные тектонической обстановки на месторождении, рассмотрим геолого-тектоническую обстановку в районе 2 орта горизонта -210 м, где проводились исследования. На рис. 5 представлен план горизонта -210 м. На плане выделены контуры залегания руды, скарнов, отмечены тектонические трещины, диоритовая дайка, орт.
Исследования проводились методом профилирования. Для этого участок работ был разбит на пикеты (пк) от пк Б1 до пк Б13. Расстояние между пикетами было выбрано 3 м. Геология участков от пк Б1 до пк Б5 представлена магнетитом, в районе 5-6
Рис. 5. План горизонта - 210 м: 1 — рудное тело; 2 — скарны; 3 — тектонические трещины; 4 — дайка
пикета выделялась дайка, которая контактировала с ее противоположной стороны со скарнами. В районе пк Б9 имеется тектоническая трещина.
Исследования проводились с использованием двух типов электромагнитных датчиков: индукционные (ДИП) и емкостные (ДЕП). В процессе исследований, для выявления информативности, по выявлению опасных зон, электромагнитные датчики располагали: или помещенные рядом друг с другом на каждом пикете, или были разнесены на 6 метров, каждый раз перекрывая участок проведения предыдущих исследований. Таким образом, были получены результаты наблюдений электромагнитной активности на каждом пикете (Б1, Б2, Б3
......Б12) и разнесенные (Б1-Б3, Б2-
Б4, Б3-Б5, Б4-Б6........Б11-Б13).
Следует отметить, поскольку район работ находится в зоне тектонических нарушений, в период ведения работ во 2 орту наблюдалась повышенная геодинамическая активность, прояв-
ляющаяся в виде отслоений горных пород от стенок выработки и сопровождающаяся звуковыми эффектами (щелчки).
Проведены исследования, при которых датчики ДИП располагались рядом или были разнесены. На рис. 6 показаны изменения средней амплитуды в полосе частот 1-100 кГц при измерениях по пикетам, когда датчики располагали рядом (рис. 6, а) и разнесены (рис. 6, б). Время измерения на каждом пикете составляло 1 мин, а на пк Б4 (рис. 6, а) длительность измерений составила 2 мин.
На рис. 7 приведены результаты исследований с использованием электромагнитных датчиков ДЕП и ДИП. Анализируя результаты, представленные на рис. 6а видим, что при измерении датчиками ДИП, расположенными рядом, накануне щелчков, в районе пк Б4 произошло резкое увеличение амплитуды спектральных составляющих ЭМС. Это увеличение обусловлено не только геодинамической
I I
Го р-2 10 , орт ДИП разнесены
Б1-БЭ | Б5-Б+ | БЭ-Б5 Й+-БЕ | Ь5-&| | Ы-Щ |&г-Б Ш Б9-Б1 I
Пикеты
Рис. 6. Временные изменения амплитуды ЭМС при профилировании в орту 2 горизонта -210 м: а -
датчики ДИП рядом; б - датчики ДИП разнесены. 1 — временные моменты щелчков в массиве; 2 — изменение акустической эмиссии; 3 — значение амплитуды
активностью района работ, но и тем, что этот пикет расположен на границе руды и порфиритовой дайки, которая является тектоническим нарушением. При расположении датчиков ДИП, когда они были разнесены, как показано на рис. 6б видим, что зона порфиритовой дайки отмечена снижением амплитуды спектральных полос ЭМС.
Отмечается увеличение амплитуды накануне щелчков, это район пк
Б2-Б4 и Б7-Б9. То, что щелчки являются проявлением геодинамических эффектов, свидетельствует появление пиков по каналу измерения акустической эмиссии, проявляющемуся в появлении всплесков. Анализируя результаты, представленные на рис. 7, видим, что так же как и при исследованиях, представленных на рис. 6а, район границы руды и порфиритовой дайки отмечается повышенным значением амплитуды спектральных составляющих в полосе частот 1-100 кГц. Выделяется повышенным значением и район пк Б9, где расположена тектоническая трещина. Увеличение амплитуды ЭМС в районе этого пикета обусловлено еще и произошедшим отслоением горной породы, сопровождающимся звуковым эффектом спустя 1,5 мин. Сравнивая результаты исследований с использованием датчиков ДЕП (рис. 7, б) наблюдаем увеличение амплитуды спектральных составляющих в полосе частот 1100 кГц на два порядка. Это свидетельствует о большой чувствительности этого типа датчиков, по сравнению с датчиками ДИП для наблюдений в этом орте. Так же как и при исследованиях с применением датчиков ДИП (рис. 6), временные моменты появления щелчков совпадают с увеличением амплитуды электромагнитной эмиссии в этот же момент времени. Это свидетельству-
а
б
Рис. 7. Временные изменения амплитуды ЭМС при профилировании в орте 2 горизонта -210 м:
а - датчики ДИП; б - датчики ДЕП
ет о том, что в районе тектонических нарушений повышена динамическая активность. Анализ проведенных экспериментальных исследований ЭМС и АС в орте 2 на горизонте -210 м показал, что: увеличение амплитуды спектральных составляющих ЭМС в полосе частот 1100 кГц предшествует геодинамическому проявлению; рост амплитуды акустических сигналов коррелирует со временем геодинамического проявления.
Выводы
1. Выполнена оценка геомеханического состояния массива горных пород при ведении очистных работ на Восточном участке Ташатагольского месторождения. Результаты наблюдений электрометрическим методом показывают, что в опасных зонах в районе тектонических нарушений произошли значительные пригрузки по сравнению с ранними измерениями, когда зона находилась впереди фронта очистных работ. Наличие пригрузки с уменьшением электросопротивления в массиве осложняет подготовку технологических блоков к отработке. Выявлено, что крупнобазовое зондирование по опасным зонам в районе тектонических нарушений позволяет установить возможное положение очагов горных ударов, выделить участки повышенной концентрации напряжений при изменении фронта горных работ, определить зоны разгрузки от предыдущих динамических явлений или массовых взрывов.
2. На основании экспериментальных исследований установлено, что крупные тектонические нарушения активно реагируют на общее нагру-жение массива. Взаимодействие блоков на границах тектонических структур и других элементах ослабления массива горных пород определяет опасные зоны. Удароопасность в местах структурных ослаблений массива проявляется в период зажима разло-
мов, что фиксируется в виде обратных сдвижений глубинных реперов и сжатия бортов разломов. Периоды зажима разломов обусловлены перераспределением напряжений в массиве вследствие ведения очистных работ.
3. Проведенные экспериментальные исследования на удароопасном месторождении показали возможность установления опасных зон в районе тектонических нарушений по спектральным характеристикам электромагнитной эмиссии, гттш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Штирц Владимир Александрович - начальник участка ППГУ Таштагольского филиала ОАО «Евразруда»;
Еременко Андрей Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИГД СО РАН;
Еременко Виталий Андреевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, ИПКОН РАН, eremenko@ngs.ru
Александров Артем Николаевич - научный сотрудник ИГД СО РАН;
Беспалько Анатолий Алексеевич - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Томского политехнического университета;
Яворович Людмила Васильевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Томского политехнического университета.
А
ГОРНАЯ КНИГА
Проектирование и организация взрывных работ
Б.Н. Кутузов, В.А. Белин 2012 г. 416 с.
КВИ: 978-5-98672-283-2 ШК: 622.233:622.235
Приведены основные положения проектирования взрывных работ в горнодобывающей промышленности, гидротехническом, промышленном и гражданском строительстве, в сельском и лесном хозяйстве, на болотах и реках, при ремонтах доменных и мартеновских печей, разрушении металлических конструкций. Изложены данные по расчету опасное зоны, параметров расположения зарядов, а также подготовке проектной документации. В издании учтены изменения в области проектной документации, а также в расчетных формулах.
Для студентов горных специальностей, а также инженерно-технических работников, занятых ведением взрывных работ и их проектированием.
