CC BY
26
© А.В. Ловчиков, С.Н. Савченко, 2014
УДК 622.831.32
А.В. Ловчиков, С.Н. Савченко
ОЦЕНКА И ПОСЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ РУДНИКА «УМБОЗЕРО»*
Приведены результаты расчетов напряженного состояния пород вокруг двух отрабатываемых залежей на руднике «Умбозеро» до и после техногенного землетрясения 17.08.1999 г. Выполнена оценка напряженного состояния пород при затоплении рудника. Показано, что существенную роль в изменении геодинамического режима массива при затоплении рудника играет фактор смачивания водой плоскостей трещин, вследствие которого повышается их деформационная способность. В результате смачивания водой и проскальзывания очаги напряжений у концов трещин разряжаются в виде сейсмических событий относительно умеренного энергетического уровня. В конечном итоге общий уровень напряжений вокруг очага горнотектонического удара снижается и массив переходит в состояние геодинамического равновесия.
Ключевые слова: рудник «Умбозеро», напряженное состояние пород, геодинамический режим массива, очаг горно-тектонического удара.
Рудник «Умбозеро» Ловозер-ского редкометального месторождения, расположенного в центре Кольского полуострова, пущен в эксплуатацию в 1984 г. После 20 лет эксплуатации в 2004 г., вследствие нерентабельности производства, рудник был остановлен, а в 2009 г. - затоплен. Отличительной чертой горно-технических условий рудника на протяжении всего периода его строительства и эксплуатации была высокая удароопасность пород, которая реализовалась во всех формах динамических проявлений горного давления, от стреляния и заколообразования пород в выработках до сильнейших горнотектонических ударов и техногенных землетрясений. По этой причине еще в период строительства в 1978 г. рудник отнесен Госгортехнадзором к опасным по горным ударам. Причинами удароопасности послужили высокие показатели деформационно-прочностных свойств руд и вмещающих пород
и высокая гравитационно-тектоническая напряженность горного массива (табл. 1, 2).
Показатели прочностных свойств пород массива рудника «Умбозеро», как минимум, в 1,5-2,0 раза выше, чем аналогичные показатели на других наиболее удароопасных месторождениях России: Северо-Ураль-ском, Таштагольском, Хибинском [1]. Как показано в работе [2], к наиболее прочным породным разновидностям обычно приурочены наиболее высокие тектонические напряжения в массиве. Соответственно уровень тектонических напряжений в массиве рудника «Умбозеро» высокий - в среднем 50-60 МПа. Эти напряжения увеличиваются в зонах концентраций вблизи тектонических нарушений до 80-90 МПа. Высокий уровень тектонических напряжений повседневно проявлялся в практике строительства и эксплуатации рудника. В частности, кровля штреков, особенно на нижних
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 09-05-00754.
Таблица 1
Физико-механические свойства руд и пород рудника «Умбозеро»
Наименование пород Плотность, т/м3 Прочность, МПа Модуль упругости, 104 МПа Коэфф. Пуассона Коэфф. хрупкости
при сжатии при растяжении
Фойяит 2,64 308±81 10±3,3 5,3 0,25 30,8
Луяврит лейкократовый 2,65 308±94 12±3,0 5,0 0,29 25,6
Луяврит мезократовый 2,72 248±112 13±4,1 3,4 0,19 19,0
Ювит 2,65 231 12 - - 19,2
Ювит-уртит 2,54 208 16 - - 13,0
Фойяит-ювит 2,60 313±56 6,6±1,4 - - 16,0
Рудосодержащие породы (пласт 111-14) 2,70 193±10 7,0±3,5 4,1 0,26 27,6
Таблица 2
Характеристика естественного напряженного состояния массива пород на руднике «Умбозеро»
Участок, рудная залежь Глубина измерений от поверхности, м Местоположение участка измерений Величина и направление главных напряжений Соотношение компонент напряжений
°3
МПа азимут град., ±180° МПа наклон, град.
Пласт 111-14 (блок 1ю) 300 гор. +250 м 50 265 7 90 7:3:1
Пласт 111-14 (блок 1с) 200 штрек гор. +250 м 60 230 6 90 10:5 : 1
горизонтах, на глубине 300-400 м от поверхности, имеющих меридианаль-ные направления, на всем протяжении от южного до северного фланга (2,5 км) самопроизвольно приобретала шатровую форму вследствие зако-лообразования, стреляния пород, вызванного высокими тектоническими напряжениями.
При эксплуатации рудника произошло несколько горно-тектонических ударов, описание которых дано в работе [1] и других.
За весь период эксплуатации рудника «Умбозеро» в его массиве зарегистрировано свыше 150 сейсмических событий с магнитудой М > 1,0, 6 из которых были горно-тектоническими ударами, вызвавшими разрушения вы-
работок и целиков в руднике. Магни-туда сейсмических событий при горно-тектонических ударах составила М = 2,0-4,4. 17.08.1999 г. на руднике «Умбозеро» произошел сильнейший горно-тектонический удар (техногенное землетрясение), самый сильный за всю историю шахт и рудников в России, в результате которого выработки на нижней рудной залежи были разрушены на площади 650 тыс. м2.
Рудник «Умбозеро» отрабатывал две пластообразные, согласно залегающие пологопадающие рудные залежи, расстояние между которыми по вертикали составляет 50-60 м (рис. 1). Мощность нижней залежи (пласт 111-14) - 2,5 м, верхней (пласт Ш-10) - 5 м, угол падения каждой из
Рис. 1. Схема отработки рудных залежей на руднике «Умбозеро»
них составляет в среднем 17°. Глубина разработки нижней залежи -200420 м от поверхности. Отработка нижней залежи, для выемки которой, собственно, и был построен рудник, началась в 1984 г. Верхняя залежь, руда в которой первоначально считалась некондиционной по содержанию полезного компонента, стала отрабатываться только в 90-х годах над отработанной частью нижней залежи, в порядке опытно-промышленных работ. Общая площадь отработки по нижней залежи, на которой расположена основная часть подготовительных и очистных выработок рудника, достигла протяженности около 2000 м по простиранию при ширине до 500 м по падению.
Для отработки как нижней, так и верхней залежей, применялась ка-мерно-целиковая система. Камеры, как на верхней, так и на нижней залежах располагались длинной осью по простиранию, либо по падению залежей, имели ширину 15-20 м при длине 60-200 м. Для поддержания покрывающих пород применялись ленточные целики, шириной 3-15 м, оставляемые между камерами и во-
круг капитальных выработок. На нижней залежи около 50% запасов оставлено в целиках, главным образом для того, чтобы не осложнить отработку вышележащей залежи. В дальнейшем предполагалось их отработать во 2-ю и 3-ю очередь, после закладки выработанного пространства.
При техногенном землетрясении 17.08.1999 г. (М = 4,0-4,4, по данным Кольского регионального сейсмологического центра ГС РАН) в меж-дупластьи двух залежей образовалась серия трещин (плоскость сдвига толщиной 20-40 см), расположенная под углом 40° к горизонту, которая прослежена от нижней залежи до дневной поверхности, то есть составив по наклонной длине свыше 500 м. Сдвиг (надвиг) одной части массива относительно другой по этой плоскости составил 16 см. В работах [3, 4] показано, что как само техногенное землетрясение 17.08.1999 г., так и образование плоскости сдвига, по существу были спровоцированы порядком ведения горных работ на сближенных рудных залежах. Надработка нижней залежи верхней, в условиях действия в массиве высоких гравитационно-
тектонических напряжений, создала высокие концентрации сжимающих и растягивающих напряжений между пустотами очистных выработок в междупластьи, которые превзошли предел прочности пород и привели к образованию плоскости сдвига, распространившейся до дневной поверхности. 4.10.2004 г., уже в период, когда горные работы по добыче руды на руднике были законсервированы, в нем произошел еще один сильный горно-тектонический удар с магниту-дой М = 3,2. Описание последствий этого события приведено в работе [5]. Установлено, что главным из последствий горно-тектонического удара 4.10.2004 г. явилось увеличение размеров плоскости сдвига, образовавшейся при техногенном землетрясении 17.08.1999 г. Если в начальный период эта плоскость прослеживалась в горных выработках до половины площади отработки верхней залежи, то после события 4.10.2004 г. она продолжилась через всю отработанную часть этой залежи, то есть увели-
чилась по простиранию еще на 150 м. Все эти события оказали влияние на геодинамический режим и процессы деформирования массива рудника в дельнейшем.
Изменение напряженного состояния массива рудника исследовалось методом численного моделирования (методом граничных элементов) в двумерной постановке. Моделировался плоский вертикальный поперечный разрез месторождения (рис. 1). Такая постановка целесообразна ввиду того, что шахтное поле рудника вытянуто в меридианальном направлении и его ширина в поперечном измерении в четыре раза меньше его длины. Моделируемый поперечный разрез (рис. 1) относится к средней части шахтного поля рудника. В качестве граничных условий при постановке задачи были заданы действие собственного веса пород и равномерно распределенные по глубине сжимающие горизонтальные тектонические напряжения Т = 50 МПа. Физико-механические свойства пород приведены в табл. 1.
На рис. 2 показано распределение главного напряжения ст1 на последнем этапе отработки перед техногенным землетрясением 17.08.1999 г. Растягивающие напряжения показаны на рисунке пунктиром. Напряжения ст1 здесь играют основную роль, так как они являются растягивающими и критическая энергия деформирования массива в условиях действия растягивающих напряжений на два порядка ниже, чем при превалирующем действии сжимающих.
Из рис. 2 видно, что в междупла-стьи напряжения преимущественно растягивающие, а зона растягивающих напряжений над верхней отрабатываемой залежью распространяется, практически, до дневной поверхности. Вследствие этого произошел сдвиг покрывающей толщи пород примерно под углом 40° относительно горизонта.
На рис. 3 показано распределение тех же напряжений ст1 после техно-
генного землетрясения, из которого следует, что распределение напряжении до и после землетрясения отличаются незначительно. Несколько изменилась (уменьшилась) зона действия растягивающих напряжений в массиве междупластья; над второй и третьей выработками верхнего очистного пространства исчезли зоны растягивающих напряжений, однако зона растягивающих напряжении над верхним очистным пространством по-прежнему распространяется почти до дневной поверхности. Изменения в окрестности нижнего очистного пространства заключаются в некотором уменьшении областей распространения растягивающих напряжении.
При постепенном затоплении рудника снизу доверху все отработанное пространство можно рассматривать как «сообщающиеся сосуды». В результате этого на стенки выработок будут действовать усилия, равные весу столба воды. При затоплении
Рис. 4. Распределение главных напряжений а1 при затоплении рудника и пятикратном увеличении давления воды
рудника полностью столб воды составит порядка 200-250 м и, следовательно, наибольшая величина дополнительных напряжений на стенки самой нижней выработки не превысит 2,0-2,5 МПа. Поскольку в массиве (на бесконечности) действуют тектонические напряжения величиной 50-60 МПа, влиянием воды, даже при полностью затопленном руднике, можно пренебречь. Очевидно, что эффект «сообщающихся сосудов» будет наблюдаться до момента полного затопления рудника.
Для исследования эффекта давления воды искусственно увеличим его в 5 раз, что может быть возможным, если все выхода из рудника на поверхность замкнуты, а остается свободным только выход на поверхность плоскости сдвига. В таком предположении наибольшее дополнительное давление воды на стенки самой нижней выработки составит 10,5 МПа, а по мере уменьшения толщи нале-
гающих пород это давление будет уменьшаться.
На рис. 4 приведено распределение главных напряжений ст1 для этих условий. Сравнительный анализ этого рисунка с предыдущим показывает, что растягивающие напряжения практически всюду уменьшились. Но зона растягивающих напряжений над верхней частью отработанной залежи по-прежнему распространяется почти до дневной поверхности, однако величины этих напряжений составляют десятые доли МПа. Что касается сжимающих напряжений ст1, то они остались практически на том же уровне.
Для того, чтобы определить, как влияют свойства пород на распределение напряжений, предположим, что модуль упругости обводненного массива на порядок ниже, чем в обычном состоянии, а коэффициент Пуассона увеличился в 1,5 раза и равен 0,37. Рассматриваем затопленную часть как замкнутое пространство, т.е. на гра-
Рис. 5. Распределение главных напряжений а1 в обводненном массиве при изменении свойств пород и увеличенном давления воды
нице выработок предполагается то же увеличенное давление воды. На рис. 5 приведено распределение напряжений ст1 в этом случае. Прежде всего из этого рисунка следует, что зона растягивающих напряжений над верхним очистным пространством распространяется только до плоскости, по которой произошел сдвиг во время техногенного землетрясения. В междупластьи зона растягивающих напряжений также уменьшилась. В остальной части массива характер распределения напряжений остался прежним. Из сопоставления рис. 4 и рис. 5 следует, что даже значительное изменение свойств пород влияет на распределение напряжений несущественно.
Приведенные расчеты показывают, что затопление рудника не ухудшает условия распределения напряжений вокруг затопленных выработок с точки зрения их устойчивости и проявлений горного давления. Провести на-
турные наблюдения за устойчивостью выработок при их затоплении, чтобы подтвердить этот факт, не представилось возможным. Однако на всем протяжении консервации и затопления рудника «Умбозеро» осуществлялся сейсмологический мониторинг состояния массива при помощи четырех сейсмических станций, две из которых располагались в непосредственной близости (на расстоянии 10 км от рудника), а две других на расстоянии 50-60 км от него. Описание результатов сейсмологических наблюдений при затоплении рудника «Умбозеро» приведены в работе [6]. Сейсмологические наблюдения показали, что при затоплении рудника сейсмичность его массива возросла в 10 раз, то есть условия проявления горного давления резко ухудшились. Во время затопления рудника зарегистрировано 17 сейсмических событий с маг-нитудой М = 1,0-2,0 (энергия 105106 Дж) и более 100 событий более
Рис. 6. Гистограмма распределения по годам сейсмических событий (М > 1,0) в массиве рудника «Умбозеро»
мелкого энергетического уровня. На рис. 6 приведена гистограмма распределения по годам сильных сейсмических событий (М > 1,0) в массиве рудника «Умбозеро» с 2000 г. В 2000 г., после техногенного землетрясения 17.08.1999 г., количество сильных сейсмических событий (М > 1,0) в массиве рудника резко упало от 45 в 1999 г. до 8 в 2000 г. В последующие периоды наибольшее их число (12) наблюдалось в 2003 г., постепенно уменьшаясь в дальнейшем. Как это видно из характера гистограммы рис. 6, количество сильных сейсмических событий (М > 1,0) должно было снизиться к 2009-2010 гг. до нулевых значений. Однако такой сильный техногенный фактор, как затопление рудника, резко изменил геодинамический режим массива, увеличив на порядок количество сейсмических событий.
Очевидно, на изменение геодинамического режима массива могли повлиять два фактора: 1) давление веса воды, заполняющей пустоты гор-
ных выработок; 2) смачивание водой плоскостей трещин, которое способствует повышению деформационной способности трещин и проскальзыванию противоположных поверхностей трещин относительно друг друга. Как показали результаты проведенных выше расчетов, давление воды не могло существенно ухудшить геодинамический режим массива, а наоборот, улучшить его, создавая более равномерное распределение напряжений. Наиболее существенным, судя по изменению сейсмического режима массива рудника «Умбозеро», оказался фактор смачивания водой плоскостей трещин. Этому факту находится достаточное физическое обоснование. Как известно [7], во время землетрясения в его очаге расходуется только незначительная часть энергии (порядка 10%), основная часть энергии остается в массиве, главным образом, у концов образовавшихся трещин. При смачивании водой плоскостей трещин повышается их деформационная способность, вследствие чего
очаги напряжений у концов трещин разряжаются в виде сейсмических событий, вследствие чего общий уровень напряжений в массиве снижается. По описанному сценарию, как это показано в работе [6], развивался сейсмический процесс при затоплении рудника «Умбозеро». Основная часть сейсмических событий произошла при затоплении горных выработок вблизи плоскости сдвига в междупластьи двух залежей, которая явилась очагом происшедших горнотектонических ударов. Хотя этих событий было много (17), все они имели относительно умеренный энергетический уровень (М = 1,0-2,0), что вполне соответствует приведенному выше физическому обоснованию. В дальнейшем уровень напряжений в массиве снизился.
В период после сентября 2009 г. сильные сейсмические события (М > 1,0) в массиве рудника «Умбо-зеро» не происходили, что свидетельствует о том, что массив рудника пришел в состояния геодинамического равновесия.
Таким образом, на основании приведенных исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Характер распределения напряжений в массиве после техногенного землетрясения 17.08.1999 г. остался таким же, как и до динамического события, но, поскольку событие произошло, то часть энергии деформирования реализовалась, а массив приобрел новое устойчивое состояние.
2. Затопление рудника, по фактору давления воды, не вносит существенных изменений в напряженное состояния пород массива и не ухудшает условия его геодинамического режима и проявлений горного давления.
3. Весьма существенную роль в изменении геодинамического режима массива при затоплении рудника играет фактор смачивания водой плоскостей трещин, вследствие которого повышается их деформационная способность. В результате смачивания водой и проскальзывания очаги напряжений у концов трещин разряжаются в виде сейсмических событий относительно умеренного энергетического уровня. В конечном итоге общий уровень напряжений вокруг очага горно-тектонического удара снижается и массив переходит в состояние геодинамического равновесия.
1. Ловчиков А.В., Пернацкий С.И. Горные удары на Ловозерском редкометальном месторождении / Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002.
2. Марков Г.А., Савченко С.Н. Напряженное состояние пород и горное давление в структуре гористого рельефа. - Л.: Наука, 1984.
3. Савченко С.Н., Ловчиков А.В., Козырев А.А. Ретроспективный анализ очага техногенного землетрясения на руднике «Умбозеро» 17.08.1999 г. / Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика. Ч. 1. Сб. докладов международного совещания 14-16 апреля 2004 г. - Кировск: Изд-во КНЦ РАН, 2004.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Ловчиков А.В. Опасность горно-тектонических ударов при отработке сближенных рудных залежей // Горный информационно-аналитический бюллетень. Дальний Вос-ток-2: отдельный выпуск. - 2007. - № ОВ15.
5. Ловчиков А.В. Анализ механизма очага сильного сейсмического события, происшедшего в период консервации рудника / Геомеханика в горном деле: Доклады международной конференции 5-8 июля 2005 г. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2005.
6. Ловчиков А.В. Исследование сейсмичности, вызванной санкционированным затоплением подземного рудника // Горный журнал. - 2010. - № 9.
7. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. - М.: Наука, 1993. lim
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ловчиков Александр Васильевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник, e-mail: vocson@goi.kolasc.net.ru, Савченко Степан Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,
Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.831.32
ESTIMATE AND AFTER-EFFECT OF STRESS STATE ALTERATION IN ROCKS AFTER UMBOZERO MINE FLOODING
Lovchikov A.V., Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher, e-mail: vocson@goi.kolasc.net.ru,
Savchenko S.N., Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Mining Institute of Kola Scientific Centre of Russian Academy of Sciences.
The article reports calculation of stress state in country rocks of two ore bodies developed by the Um-bozero Mine before and after an induced earthquake on August 17, 1999. The stress state of rocks after the mine flooding is estimated too. It is shown that essential contribution to the change of the geodynamic mode in the rock mass is made by wetting of the surfaces of joints, which increases their deformation capacity. As a result of wetting and sliding, stress concentrations at joint tips release in the form of moderate energy seismic events. Eventually, the total level of stresses around a tectonic shock source decreases, and rock mass goes to the state of geodynamic equilibrium.
Key words: Umbozero Mine, stress state of rocks, geodynamic state of rock mass, tectonic shock source.
REFERENCES
1. Lovchikov A.V., Pernatskii S.I. Geodinamicheskaya bezopasnost' pri osvoenii nedr i zemnoi poverkh-nosti (Geodynamic safety in open-pit and underground mining), Apatity: Izd-vo KNTs RAN, 2002.
2. Markov G.A., Savchenko S.N. Napryazhennoe sostoyanie porod i gornoe davlenie v strukture goristo-go rel'efa (Stress state of rocks and ground pressure in a mountain relief structure), Leningrad, Nauka, 1984.
3. Savchenko S.N., Lovchikov A.V., Kozyrev A.A. Tekhnogennaya seismichnost' pri gornykh rabotakh: modeli ochagov, prognoz, profilaktika. Ch. 1. Sb. dokladov mezhdunarodnogo soveshchaniya 14-16 aprelya
2004 g. (Mining-induced seismicity: Models of sources, prediction and prevention. International Conference Proceedings, 14-16 April 2004), Kirovsk, Izd-vo KNTs RAN, 2004.
4. Lovchikov A.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Dal'nii Vostok-2: otdel'nyi vypusk (Far East-2: Special issue), 2007, no OV15.
5. Lovchikov A.V. Geomekhanika v gornom dele: Doklady mezhdunarodnoi konferentsii 5-8 iyulya
2005 g. (Geomechanics in mining: International Conference Proceedings, 5-8 July 2005), Ekaterinburg: IGD UrO RAN, 2005.
6. Lovchikov A.V. Gornyi zhurnal, 2010, no 9.
7. Sobolev G.A. Osnovy prognoza zemletryasenii (Basics of earthquake prediction), Moscow, Nauka, 1993.
A
