CC BY
7
УДК 622.831; 622.235
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-32-38
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ В УСЛОВИЯХ РАЗРАБОТКИ УДАРООПАСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ СИБИРИ
Андрей Андреевич Еременко
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, зам. директора по научной работе, тел./факс (383)205-30-30, доп. 111, e-mail: yeryom@misd.ru
Представлены результаты измерений сейсмического действия взрывов при отбойке блоков на месторождениях Сибири. Определены эпицентральные расстояния от очагов взрывов до объектов и коэффициент сейсмичности горного массива. Проведены наземные исследования границ между налегающей толщей кровли выработанных пространств и дневной поверхностью. Получена скоростная модель с определенными параметрами. Выделены зоны различной интенсивности и балльности сейсмического действия взрывов в районе месторождения. Установлены безопасные расстояния от эпицентра взрыва до зданий и сооружений.
Ключевые слова: месторождение, взрыв, технологический блок, сейсмика, напряжение, горная порода, массив, взрывчатое вещество.
STATE EVALUATION OF ROCK MOUNTAIN MASS BY GEOPHYSICAL METHODS UNDER THE ACTION OF TECHNOGENIC FACTORS IN SHOCK HAZARDOUS CONDITIONS OF DEVELOPMENT OF SOLID MINERAL DEPOSITS IN SIBERIA
Andrey A. Eremenko
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Deputy Director for Science, phone/fax: (383)205-30-30, extension 111, e-mail: yeryom@misd.ru
The results of measurements of the seismic effect of explosions during the breakdown of blocks at the fields of Siberia are presented. The epicentral distances from the foci of explosions to objects and the coefficient of seismicity of the mountain massif are determined. Ground-based studies of the boundaries between the overlying thickness of the roof of the worked out spaces and the earth surface were carried out. A velocity model with certain parameters is obtained. Areas of different intensity and magnitude of the seismic action of explosions in the area of the deposit are identified. Safe distances from the epicenter of the explosion to buildings and structures are established.
Key words: field, explosion, technological block, seismic, stress, rock, massif, explosive.
В Сибири разрабатываются крупные железорудные месторождения Шере-гешевское и Таштагольское, которые относятся к контактово-метасоматичес-кому типу и по происхождению связывается с интрузией сиенитов [1-5]. Руды месторождения - магнетитовые. Вмещающие породы состоят из скарнов, аль-битофиров, порфиритов, сиенитов, мраморизованных известняков и гранитов.
На Подрусловом участке Шерегешевского месторождения падение рудной зоны составляет 40-45°. Технологические блоки на Шерегешевском месторождении отрабатываются системой этажного принудительного обрушения и этажно-камерной с отбойкой руды на компенсационные камеры и зажатую среду. Длина блоков составляет 75-110 м; ширина - 27-80 м; высота - 70-150 м. Высота днища блока равна 13 м.
Исследованиями установлено, что максимальное главное напряжение на Шерегешевском месторождении имеет северо -западное направление (азимут линии действия 345°) и в 2,8-3 раза превышает вес столба налегающих пород. На глубине более 500 м абсолютное значение сжимающего максимального главного напряжения составляет -39 ^ 22 МПа [1]. Анализ результатов измерений показывает, что на Шерегешевском месторождении также имеют место резко повышенные значения горизонтальных напряжений сжатия (и а2).
Предложены схемы рационального расположения параллельно-сближенных зарядов ВВ увеличенного диаметра до 250 мм в блоке № 4 Подруслового участка. На блоке одна компенсационная камера. В качестве взрывчатого вещества (ВВ) используются граммонит М21, аммонит 6ЖВ диаметром 32 и 90 мм. Число рядов скважин равно 8; толщина взрываемой секции 23 м; расстояние между рядами скважин 5 ^ 5,5 м. Удельный вес ВВ на отбойку -0,575 кг/т.
08.05.2011 в 13 ч 35 мин по местному времени на Шерегешевском месторождении был проведен массовый взрыв по отбойки руды в блоке № 4. Суммарная мощность массового взрыва около 281 т. Ступени замедления между группами составляли 25 и 50 мс. Масса ВВ в группах колебалась от 2,792 т до 46,044 т. Максимальный по массе заряд 46,044 т приходится на группу, взорванную через 200 мс от начала взрыва. Минимальный заряд 2,792 т приходится на последнюю ступень замедления - 400 мс. Амплитуды волн при взрыве могут быть описаны зависимостью:
где д - масса ВВ на одну ступень замедления, с той же степенью затухания волны (п), но с большим коэффициентом сейсмичности (К).
Согласно шкале интенсивности сейсмических колебаний Медведева С. В. для горных взрывов, скорости горизонтальных колебаний грунта при интенсивности колебаний 1 балл составляют от 1 до 2 мм/с, при интенсивности 2 балла составляют от 2 до 4 мм/с и т. д.
В таблице приведены значения этих скоростей при различной балльности. Для указанных скоростей колебаний по формуле проведен расчет радиусов зон заданной интенсивности при различных массах ВВ в одной ступени замедления.
Интенсивность колебаний в п. Шерегеш при взрыве
Интенсивность колебаний, баллы Амплитуда скоростей колебаний, мм/с Радиусы зон, м для 0 = 46 000 кг
1 1-2 > 3 500
2 2-4 3 500-2 250
3 4-8 2 250-1 400
4 8-16 1 400-875
5 16-32 875-560
Таким образом, применение при массовом технологическом взрыве параллельно-сближенных зарядов ВВ увеличенного диаметра позволило обрушить рудные запасы блоки, расположенного в слепом рудном теле, с соблюдением сейсмической безопасности на территории месторождения [6, 7].
6 июля 2013 г. проведен массовый взрыв по отбойке руды в блоке № 6 в северо-западной части участка Подрусловый в этаже +185 ^ +255 м. Суммарная мощность массового взрыва составила 81,230 т на расстоянии 20,9 км. Время прихода Р волны 2,55 с. Ступени замедления между группами составляли 25 и 50 мс. Количество ступеней замедления - 15. Масса ВВ в группах колебалась от 440 кг до 16 956 кг.
Блок № 6 отрабатывается этажно-камерной системой разработки. Отбойка руды производится пучками восходящих, нисходящих и наклонных скважин диаметром 105 мм. Определены радиусы зон различной балльности для взрыва. Для этого принята масса заряда, равная наибольшей массе ВВ в одной ступени замедления - 16 956 кг ВВ.
Согласно номограмме колебания интенсивности 1 балл наблюдается на расстояниях более 3 750 м, интенсивность колебаний 2 балла происходит на расстояниях от 2 360 до 3 750 м и т. д. Основная застройка поселка Шерегеш находится на северо-западе от эпицентра взрыва в 4- и 3-балльной зонах, поэтому сейсмическое воздействие взрыва не могло причинить какого-либо ущерба застройке поселка. Однако сейсмические колебания 3-, 4- и 5-балльной интенсивности ощущаются населением поселка, так что этот взрыв мог быть причиной определенного психофизиологического дискомфорта у отдельных людей. Условие сейсмической безопасности проведения массового взрыва было соблюдено.
Таким образом, установлена зависимость максимальной скорости колебаний почвы при взрывах от приведенного эпицентрального расстояния и определен коэффициент сейсмичности, равный 3 500, для горного массива в районе Подруслового участка Шерегешевского месторождения, которые позволяют давать оценку сейсмического воздействия массового взрыва на окружающий массив.
Определены допустимые скорости колебаний грунта в основании охраняемых сооружений по данным РТМ 36.22.91 в зависимости от класса ответственности по СНиП 2.01.07-85. Группу грунтов определяют согласно ГОСТ 25100-95.
Экспериментальные исследования проводились при обрушении блоков № 1 (3 панель) в этаже (-70) ^ (±0) м на Юго-Восточном участке Таштагольско-го месторождения и № 8 в этаже 185-255 м на Подрусловом участке Шереге-шевского месторождения. Отработка блока № 1 (3 панель) осуществлялась системой этажного принудительного обрушения с применением параллельно-сближенных скважин зарядов ВВ диаметром 105 мм. При взрывании блока № 1 масса ВВ составляла 139,1 т. Линия наименьшего сопротивления (ЛНС) колебалась от 5 до 6 м; удельный расход ВВ - 0,6 кг/т.
Обрушение блока № 8 производилось с использованием этажно-камерной системы разработки. Масса ВВ составила 114,3 т. Максимальная масса ВВ, равная 21 ,5 т, приходилась на интервал замедления 50 мс.
Регистрация сейсмических колебаний земной поверхности при взрыве осуществлялась в г. Таштагол путем установления датчиков на крыльце жилого девятиэтажного дома по ул. 8 Марта дом 1 и в школе № 1. Максимальная величина скорости сейсмических колебаний в пункте № 1 составила 0,02 см/с в вертикальном направлении, что в 100 раз меньше предельно допустимой. Максимальная величина скорости сейсмических колебаний в пункте № 2 составила 0,4 см/с, что в 2,5 раз меньше предельно допустимой.
При обрушении блока № 8 в районе п. Шерегеш расстояние от пункта наблюдения № 3 (дом № 2) до места взрыва составляло 350 м, от пункта наблюдения № 4 (рудоуправление) до места взрыва - 1 000 м. Максимальная величина скорости сейсмических колебаний земной поверхности в п. Шерегеш составила 6,5 см/с в горизонтальном направлении в эпицентре взрыва и 1,8 см/с в горизонтальном направлении в рудоуправлении, что превышает предельно допустимые значения для жилых зданий в эпицентре взрыва в 3,25 раза и 1,8 раза в районе рудоуправления.
В Горно-Шорском филиале выполнены полевые наземные исследования на трех профилях в пределах участка Подрусловый. Длина профилей составляла 115 м. Шаг наблюдений и перемещений пунктов возбуждения колебаний равнялся 5 м. При выполнении работ использовался ударный способ возбуждения сейсмических колебаний в режиме накопления сейсмического сигнала с использованием системы сложения-вычитания. Эта система обеспечивает подавление регулярных волн-помех с вектором поляризации в вертикальной плоскости - продольных, поперечных SV-волн и обменных (рис. 1). На всех профилях для возбуждения колебаний использовался молот массой 12 кг. Для регистрации сейсмических колебаний использовались одиночные горизонтальные сейсмоприемники GS20 ^Х с резонансной частотой 10 Гц. Запись сейсмического сигнала осуществлялась 24-канальной цифровой сейсмостанцией «Эллис».
О 25 50 75 100 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 X, м ПУ5 10 110
Т, мс
Рис. 1. Структура волнового поля на профиле:
ПУ - шаг перемещения; и и t2 - соответственно прямая и отраженная волны
Получены данные о мощности поверхностных отложений, которая изменяется от 10 до 35 м, что согласуется с геологическим разрезом участка. Рассмотрена возможность решения задачи по обнаружению границы между налегающей толщей кровли и выработанным пространством. Фактически она сводится к решению двух взаимосвязанных задач: выделение в разрезе искомого объекта; определение глубины его кровли. Анализ полученных сейсмических результатов позволяет оценить глубины кровли блока № 6 в 320 м. Ширина блока по сейсмическим данным составляет 60 м, что близко к его реальным данным.
В пределах Юго-Восточного участка на Таштагольском месторождении исследования были выполнены на профиле над выработанным пространством. Выполненные исследования позволили получить представление о структуре волнового поля в пределах участка и о строении верхней части толщи горных пород.
На исходных сейсмических записях выделяется преломленная волна (рис. 2), которая выходит в первые вступления на ближайшем пикете от пункта возбуждения. Это свидетельствует о том, что мощность поверхностного слоя нескальных отложений не превышает 2-2,5 м. Далее в структуре волнового поля в интервале времен до 155-200 мс выделяется ряд волн (отраженных и кратных) от относительно неглубоких границ. Отраженные волны от более глубо-
ких границ в явном виде на сейсмических записях не выделяются. Скорость продольных волн в пределах месторождения составляет 5 000-5 500 м/с. Принимая во внимание, что среднее соотношение скоростей поперечных и продольных волн для скальных пород в среднем равно 0,5, можно отметить, что полученные значения скорости соответствуют ненарушенным скальным породам на этом участке.
Ш 60 ПУ110
0 20 40 60 80 100 X, м 0 20 40 60 80 100 X, м
Рис. 2. Исходные сейсмические записи на профиле
В процессе проведения исследований при ударном способе возбуждения среды установлено, что на месторождениях выделение в разрезе отражающих границ, в том числе и от исследуемых целевых объектов, сильно затруднено из-за неровности кровли скальных пород, наличия большого количества дифрагирующих объектов, невыдержанности поверхностных условий, присутствия в структуре волнового поля кратных волн и интенсивных промышленных волн-помех.
На полученных временных разрезах удалось выделить отраженные волны, которые по своим кинематическим и динамическим параметрам близки к расчетным теоретическим параметрам моделей искомых неоднородностей. Это дает основание достаточно обоснованно считать, что обнаруженные сейсмиче-
ские границы являются кровлей обрушенных блоков и позволяют сделать вывод о возможности и перспективности использования разработанной методики для решения поставленной задачи.
Таким образом, на участках Таштагольского и Шерегешевского месторождений выявлены интенсивные регулярные волны, распространяющиеся со стороны отработанных блоков. Полученные экспериментальные данные позволили определить возможное расстояние от дневной поверхности до границы кровли в выработанном пространстве Юго-Восточного участка Таштагольского месторождения, которое колеблется от 250 до 330 м.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Диагностика геофизических предвестников геодинамических явлений и развитие геотехнологии разработки железорудных месторождений / А. А. Еременко, А. А. Беспалько, В. А. Еременко, Л. В. Яворович. - Новосибирск : Наука, 2016. - 296 с.
2. Еременко А. А., Еременко В. А., Гайдин А. П. Горно-геологические и геомеханические условия разработки железорудных месторождений в Алтае-Саянской складчатой области. - Новосибирск : Наука, 2009. - 224 с.
3. Разработка и обоснование схем расположения сближенных зарядов ВВ увеличенного диаметра при отбойке блоков / А. А. Еременко, И. В. Клишин, Е. Н. Щептев, В. Н. Колтышев // ГИАБ. - 2013. - № 8. - С. 202-204.
4. Seismic hazard assessment and abatement geotechnology for safe iron ore mining in west Siberia / А. A. Eremenko, V. N. Koltyshev, V. A. Eremenko, V. A. Shtirtz // 8th International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines (RaSim 8). - Geophysical Survey of Russian academy of Sciences. Obninsk; Mining of Ural Branch of Russian of Sciences, Perm; 2013. - Р. 434-445.
5. Опыт разработки безопасной и эффективной геотехнологии освоения рудных месторождений Сибири / А. А. Еременко, В. А. Еременко, А. Н. Александров, В. Н. Колтышев // ФТПРПИ. - 2014. - № 5. - С. 90-106.
6. Исследование интенсивности сейсмического действия массового взрыва при отработке слепого рудного тела / А. А. Еременко, А. Н. Александров, В. И. Куликов, В. Г. Спун-гин // ГИАБ. - 2014. - № 5. - С. 9-14.
7. Экспериментальные исследования по определению границ между налегающей толщей кровли выработанного пространства и дневной поверхностью на месторождениях Горной Шории / А. А. Еременко, А. Н. Александров, А. Г. Скворцов, А. М. Царев // ГИАБ. -2014. - № 6. - С. 11-17.
© А. А. Еременко, 2018
