CC BY
8
© O.A. Хачай, О.Ю. Хачай, В.М. Барышев, О.Ю. Ухарская, 2012
УЛК 622.83+ 530.1(075.8)
О.А. Хачай, О.Ю. Хачай, В.М. Барышев, О.Ю. Ухарская
ОПЫТ ИЗУЧЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ЕСТЮНИНСКОЙ ШАХТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА
Обобщены результаты индукционного электромагнитного мониторинга, проводимого в течение ряда лет в магнетитовой шахте Естюнинская, Высокогорский ГОК. Выявлены аналогично данным по Таштагольскому руднику явления самоорганизации, которые проявились в изменении морфологии зон дезинтеграции (геоэлектрических неоднородностей второго ранга), связанных с изменением напряженно-деформированного состояния массива при его отработке. Полученные результаты позволяют классифицировать отдельные участки массива по степени устойчивости до и после их отработки.
Ключевые слова: геологическая среда, многоуровневая индукционная электромагнитная методика.
При изучении пространственно-временных изменений структуры, физических свойств геологической среды или массива горных пород и связанных с ними напряженно-деформированного или фазового состояния модель слоисто-блоковой среды с включениями усложняется: она представляет собой двухранговую цепочку в обшей иерархически неоднородной модели среды. Модель иерархически неоднородной среды для описания процессов деформирования и разрушения геологической среды была впервые предложена академиком М.А. Садовским [5]. Развитию и использованию иерархично-блоковой модели среды на качественном уровне по-свяшен ряд работ сотрудников ИФЗ РАН [1, 5]. Важную роль для понимания формирования и развития иерархии структурных уровней деформации в твердых телах играют теоретические и экспериментальные ре-
зультаты, полученные на образцах [4], с помощью которых обоснован подход, базирующийся на представлении о диссипативных структурах в неравновесных системах [3]. Кроме того, получены важные теоретические результаты по рассмотрению нагруженного твердого тела как многоуровневой самоорганизующейся системы, в которой микро-, мезо- и макроуровни органически взаимосвязаны, разрушение есть заключительный этап эволюции микро- и ме-зоструктуры, наступающий после того, как материал исчерпал свои аккомодационные возможности [6]. Явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок, связанные с дискретностью и фрагментацией среды, описаны академиком Е.И. Шемякиным и соавторами [11] и получили статут открытия [12]. Эти явления имеют место как в неглубоких шахтах (до 500 м), так и в глубоких шахтах (более 500 м).
С увеличением глубины сложность геологического строения среды не уменьшается. В рамках школы ИГЛ СО РАН развивается новое направление изучения состояния массива горных пород, называемое нелинейной геомеханикой [2]. Если нас интересует дополнительно эволюция этой структуры, то необходимо использовать комплексные геофизические методики, обладающие разрешающей способностью выявления зарождения и распада самоорганизующихся структур. Впервые именно при использовании разработанной в ИГФ УрО РАН попланшетной электромагнитной методики удалось в рамках натурных исследований реализовать идею выявления зон дезинтеграции в массиве горных пород и организовать мониторинг их морфологии [7,8]. 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 [9]. В работе [10] 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 уда-роопасного Таштагольского подземного рудника. Исследования проводились в 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 гг. в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубинах от 540 до 750 м с целью выявления морфологии зон дезинтеграции в околовы-работочном пространстве в массиве горных пород, находящемся под интенсивным техногенным воздействием и
влиянием естественного поля напряжений.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: массив горных пород представляет многоранговую иерархическую структуру; изучение динамики состояния, его структуры и явлений самоорганизации массива можно вести геофизическими методами, настроенными на такую модель среды.
Использование попланшетной многоуровневой индукционной электромагнитной методики с контролируемым источником и соответствующей методики обработки и интерпретации позволило выявить зоны дезинтеграции, являющиеся индикатором устойчивости массива. Введение нового интегрального параметра - по-интервального распределения интенсивности зон дезинтеграции ЭрШ [7, 8, 10], позволяет перейти к детальной классификации массива по степени устойчивости, ввести для этого количественные критерии и характеризовать устойчивость массива. Использование настоящей системы мониторинга в рамках технологии отработки глубокозалегающих месторождений может позволить предотвратить сильные динамические явления в результате использования разнонаправленных массовых взрывов. Эта идея была опробована на Естюнинской шахте магнетитового месторождения.
Второй участок полевого штрека, длина которого 110 м, располагался в пределах блоков 0—1, отработка которых в 2005 году только начиналась, а в 2007—2008 годах была завершена. За промежуток времени 2005—2008 гг. очевидны изменения в морфологии распределении поинтер-вальной интенсивности зон дезинтеграции в почве по наблюдениям электромагнитного поля на всех использованных нами частотах (рис. 1, а—б).
а
—* - 40 кГц —• -20 кГц - -10 кГц -«—6 «Гц
jl
,--*-.___ / \ s Л ----- -----/_ ^ \
1z3465ts3
1-0-0 5М.2-0.6.1 -1 .бмл-1 л-гил-г-г,5и,б^.б-зм,т-з-з.бм
О
—а uTiUOOir. —*—10 кГцЛЮК
1 » i «гилигг. - -10 кГц ЛИ (Ii ■ - И iTiuimti, ■ • 10 KluJWBr. • -r -inTiUOOOi. — ■ - in кГц 300? —л ■ го «гцзою —* • ШкГц20№
\
123466789
1-о-о бм^-о.блм.з.м.бн.л-гб^м.б-г-г.би.б-гб^н.т^-зем.в^.в^м. 9-»-1.6м
Рис. 1. Изменение состояния массива в пределах второго участка полевого штрека по данным индукционного электромагнитного мониторинга:
а — 2005 г., б — 2007—2009 гг.
К 2008 году наибольшая интенсивность зон дезинтеграций в почве достигается на интервале 0—0,5 м (рис. 1, б).
Аналогичные явления эффекта самоорганизации наблюдались на третьем участке полевого штрека, соседствующем со вторым, длина, которого составляла 115 м (рис. 2, а) и на четвертом участке, соседствующем с третьим, длина которого составляла также 115 м (рис. 2, б)
Важную роль при обнаружении проявлений эффекта самоорганиза-74
ции играет расположение профилей электромагнитного мониторинга относительно направления главных напряжений в массиве и близость опорного давления в массиве к наблюдательному профилю.
Таким профилем, более чувствительным к изменению напряженного состояние в массиве в процессе его отработки в настоящее время на Ес-тюнинской шахте является квершлаг, расположенный перпендикулярно концу профиля четвертого участка полевого штрека (рис. 3.).
—»—40 кГиДЮ?г, —?о кГилит —»—10 лГцДОГт.
л —г—а кГцЯВ7|, • -» - 40 иГц, 20Сас • -лг' 20 *гцдавгг • * ю кТи^ядег. - -»- -5кГц,2ИИг, — » - 40 «Г и 20091. - га «гцгоовг. —* - \о »тигооэг. —• * 5 кГц 2ИН г.
4) г
Д.
1 2 3 4 "" 6 6 7 8
1 -О Л С 42 4> 5-1 и,3-1 -1®и.4 -1.6-2м Ь-2Л 6 и.6-2 Л-З 6* .9¿3.6 -4 к 5 5и
б
1
\\ - -*■ ■ +0 «Г 1^200вг. - '¿г • 20 нГц^СЮвг. - - « КГЦДЮОР. - ■* • 5 иГиДЖв/, - ■ - 40 *Гц.г009г,
V,
л ■■ я — л ' Ю кГцЮИг, — » - 5 И ц>2В05г.
'Ж О-
1 2 3 6 6 7 8 9
Рис. 2. Изменение состояния массива в пределах третьего (а) и четвертого (б) участков полевого штрека по данным индукционного электромагнитного мониторинга: а —2007—2009 гг., б —2008—2009 гг
А —•—40 кГц2007г. —*—20 кГи»200Гг, —10 кГц.#Ю7г. —В—5 кГцЛН7г, — -» -40 кГц 2008г. — -Ле * 20 кГц ЯЮВ(. • -10 кГц 2003 г. . .5«Гцг01Иг. — ■ - 40 кГц, 2009 г, —м ■ 20 нГц.2009г. — М - 10 кГц,2009 г. — ж • 5 »Ги^ООЗг.
\ 1 \
V./
* А \/ Г\ ... л л
\ Г'0.
' .....
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 -О Л .5м4.6 -1 и ,3 -1 -1.6 м ,4 -1 5 -2 м,5 -2 -2.6 и.б-3.6 -Зи ,7 -Э -3 5м ,0 -15 А н ,Э 4 -Л .6 и
Рис. 3. Изменение состояния массива в пределах квершлага по данным индукционного электромагнитного мониторинга, 2005 г., 2008—2009 гг.
На профиле в квершлаге произошли существенные изменения в распределении интенсивности зон дезинтеграции, а также и в морфологии их распределения в почве. (см. сравнительные геоэлектрические разрезы
рис. 4 (а, б), 4 (в,г)). В таком отчетливом виде явление самоорганизации впервые проявилось в данных электромагнитного мониторинга в шахте Естюнинская.
.*••.•»••• - «а ■
рщкамея
¡Уш^:
1- 2
2- 5
т~т
7. 1 2-4
I ........
и бопве (ОМ-М)
менее 1
тт
2- 5 5- 7 7-1
Рис. 4. Отражение процесса самоорганизации в изменении морфологии распределения зон дезинтеграции в геоэлектрических разрезах по профилю квершлаг по данным электромагнитного индукционного мониторинга:
а, б — 2009 г — 2008 г., 10.16 кГц, в, д — 2009 г — 2008 г., 5.08 кГц
Как видно из результатов электромагнитного мониторинга рис. 5 (а, б) ежегодно в пределах обоих полигонов геомеханического мониторинга про-
исходят изменения в морфологии распределения зон неоднороднородно-стей второго ранга. Если геомеханические датчики настроены на высокую
чувствительность, на них должно сказываться такое изменение структуры, а следовательно и на деформационные характеристики. Поэтому для проведения геомеханических исследований необходимо использовать информацию о глубине расположения макси-
мума зон дезинтеграции. Анализ динамики во времени параметра Эрт! позволяет сделать предположение о необходимости перемещения по глубине реперов измерения деформационных характеристик, а также приращения напряжений в массиве.
Рис. 5. Изменение состояния массива в пределах 4-й линии (а) и профиля на складе ВВ (б) по данным индукционного электромагнитного мониторинга, 2007—2009 гг.
Заключение
Таким образом обобщение результатов многолетнего активного электромагнитного мониторинга в Естю-нинской шахте позволило произвести классификацию массива по типу устойчивости, а также оценить склон-
ность его к самоорганизации. Эти данные необходимы для прогноза реакции массива на сильное техногенное воздействие — массовые взрывы, используемые при отработке.
1. Дискретные свойства геофизической среды. - М.:Наука.1989. - С. 173.
2. Курленя М.В. , Опарин В.Н. Современные проблемы нелинейной геомеханики. Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 1999. С.5-20.
3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М. Мир 1979. - 300 с.
4. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск СО АН СССР Наука.1988. - С. 226.
5. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. -М.: Наука: 1987. - С. 98.
6. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т.1, -Новосибирск: Наука, СО РАН, 1995, 297 с.
7. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава. // Горный информационный аналитический бюллетень. 2003, № 11. - С. 26—29.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Хачай O.A. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели. // Геомеханика в гор-ном деле. Екатеринбург: ИГЛ УрО РАН, 2003. - С. 30—38.
9. Хачай O.A., Блох Н.П., Новгородова E.H., Хачай А.Ю., Худяков С.Б. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. // Физика Земли, 2001, № 2. - С. 85—92.
10. Хачай O.A. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии. // Физическая мезомеханика 7, Спец. выпуск, Ч.2., 2004, С. 292—295.
11. Шемякин E.È., Фисенко Г.Л., Курленя М.Б., Опарин Б.Н. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок. ЛАН СССР, 1986, Т.289, № 5.
12. Шемякин E.È., Курленя М.Б., Опарин Б.Н. и др. Открытие №400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок. БИ 1992, № 1. ÎFQ3
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Хачай О.А. — доктор физико-математических наук, ст. научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН, [email protected]
Хачай О.Ю. — Уральский государственный университет, Математический факультет, ассистент кафедры Математического анализа и теории функций. [email protected] Барышев В.М. — технический рук. ПСПППГУ ВГОК, г. Нижний Тагил, шахта Естюнин-ская.
Ухарская О.Ю. —маркшейдер ПСПППГУ, ВГОК, г. Нижний Тагил, шахта Естюнинская.
