CC BY
38
СЕМИНАР 12
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” М0СКВА,яМГГУ,я29яянваряя-я2яфевраляя2001я-.
© Г.А. Прохоренко, А.И. Клименко, Н.А. Байлаченко, А.А. Тер-Семенов, 2001
УАК 622.271
Г.А. Прохоренко, А.И. Клименко,
Н.А. Байлаченко, А.А. Тер-Семенов
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОАОВ АЛЯ ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА КАРЬЕРА МУРУНТАУ
Развитие открытого способа добычи идет по пути увеличения глубины карьеров, а анализ методов обеспечения безопасности горных работ в этих условиях показывает, что:
• горные массивы, слагающие месторождения, разнородны, разбиты многочисленными тектоническими нарушениями, физико-механические свойства наполнителя которых отличаются от свойств окружающих породных блоков;
• геодинамические условия в прибортовых массивах карьеров осложняются полями напряжений, возникающими в период образования разломов и в процессе смещения породных блоков относительно друг друга по неровным поверхностям контактов;
• горные работы в карьерах отличаются высокой интенсивностью и характеризуются значительными объемами перемещаемых породных масс на ограниченной территории;
• борта глубоких карьеров представляют собой сложные инженерные сооружения, а прогноз и контроль состояния их устойчивости в этих условиях приобретает особое значение;
• для контроля видимых процессов в прибортовом массиве наиболее широко применяются маркшейдерские методы.
Очевидно, что в этих условиях должен быть обеспечен прогноз состояния приконтур-ного массива карьеров и объемов его возможных деформаций. В основу такого прогноза положено создание комплекса геомеханических моделей, построение которых в соответствии с принципами пространственной иерархии начинается с геодинамической модели района месторождения, затем последовательно осуществляется переход к инженерно-геологической модели карьерного поля и модели бортов карьера, онированных по устойчивости. Более подробно остановимся на методах разработки последней модели.
Известно, что непосредственно деформированию породного массива предшествуют происходящие в нем скрытые процессы (рост числа, раскрытие/закрытие микротрещин в массиве и т.п.). Для контроля таких процессов, зарождающихся внутри породного массива, наиболее перспективны геофизические методы, которые в настоящее время применяются эпизодически и разрозненно. Поэтому для практической реализации этой задачи был разработан и реализован комплексный метод прогноза, который включает (рис. 1):
• предварительное изучение геодинамических и инженерно-геологических особенностей района месторождения;
• выявление онно-опасных участков бортов карьера сейсмическими методами;
• определение границ и потенциальной линии сдвижения породных блоков методами полевой электрометрии и сква-скважинной геофизики;
• контроль изменения во времени параметров массива и положения породных блоков геофизическими и маркшейдерскими методами.
Предварительное изучение геодинамических и инженерногеологических особенностей района месторождения позволяет в первом приближении выделить характерные участки бортов карьера, строение которых осложнено тектоническими разломами или имеет другие структурные или конструктивные особенности. Эти данные используются для уточнения методики дальнейших исследований.
Одна из главных причин деформаций приконтурного массива карьеров - возникновение собственных колебаний в породном блоке, который под воздействием сейсмических колебаний вибрирует и отслаивается по контактной поверхности. Такое расслоение и ослабление сил сцепления проявляется, хотя и в малой степени, даже при слабых землетрясениях, количество которых в некоторых районах достигает нескольких десятков ежегодно.
Сейсмическая энергия, выделяемая за год всеми природными землетрясениями в виде упругих волн, составляет около 101 Дж. Ежегодно на земном шаре регистрируются сотни тысяч естественных землетрясений. Кроме того, при взрывных работах расходуется примерно 107 т ВВ в год, а суммарный вклад взрывных работ в сейсмические события характеризуется величиной порядка -1014 Дж.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ РАЗВЕДКА
Предварительное изучение инженерно-геологических условий и геодинамики района месторождения, создание математической модели полей напряжений.
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ РАЗВЕДКА ПРОЦЕСС ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Выявление потенциально опасных по параметру деформирования бортов и участков бортов путем: анализа спектров колебаний участков бортов при проведении промышленных взрывов электрометрических исследований (ВЭЗы, электропрофилирование).
л
Определение горизонтальных и вертикальных границ неустойчивых породных блоков: определении линии потенциального сдвижения породных блоков методами полевой электрометрии и скважинной геофизики;
определение вертикальных границ неустойчивых блоков; определение электропрофилирования, методом ВЭЗ с использованием относительного параметра анизотропии; определение горизонтальных границ блоков на основе анализа данных ГИС
Контроль состояния неустойчивых блоков во времени: маркшейдерские наблюдения;
режимные наблюдения методом ВЭЗ с использованием относительного параметра анизотропии
Районирование по степени устойчивости
.г
Предварительная оценка возможных объемов деформаций
Оценка объемов Неустойчивых блоков массива
Оперативный и
долгосрочный
прогнозы
состояния
устойчивости
бортов глубоких
карьеров.
Рис. 1. Схема комплексного метода прогноза устойчивости бортов глубоких карьеров
Рис. 2. Номограмма для определения объема возможных деформаций при землетрясении силой 1=7^8 баллов по шкале МБК
Все это говорит о том, что любое горнотехническое сооружение в течение всего срока своего существования находится в поле напряжений и перемещений, вызванных сейсмическим действием естественных и техногенных (взрывных) землетрясений. А поскольку для любого объекта существует резонансная частота колебаний, то каждый борт и уступ карьера постоянно ищет "свое" землетрясение и "по-своему" (в резонансном режиме) реагирует на него, выбирая из всего волнового цуга резонансные частоты. При этом известно, что между резонансной частотой и размером неоднородностей (блоков) в массиве существует обратная взаимосвязь.
Явление резонанса было положено в основу сейсмомониторинга бортов карьера Мурун-тау. Исследования проводились совместно с институтом ВНИ-ПИпромтехнологии (г. Москва).
В качестве критерия, определяющего сейсмическое воздействие на элементы карьера Мурунтау, был принят спектральный уровень (спектральная плотность излучения) горизонтальных колебаний горных пород на частоте основного тона собственных колебаний бортов карьера, уступов и отвалов. Источником колебаний при производстве сейсмических наблюдений на карьере Мурунтау служили как технологические взрывы, так и колебания, создаваемые при работе горнотранспортной техники.
Скорости колебаний грунта измерялись сейсмографами типа СМ-3КВ с регистрацией на магнитофон типа Н^30Е с монитором-калибратором типа МИ-41. В пунктах наблюдений устанавливалось по 3 сейсмо-
графа для измерения вертикальной, радиальной и тангенциальной составляющих компонент движения бортов карьера.
В результате проведенных исследований получены зависимости резонансной частоты от высоты борта, спектральной плотности сейсмических колебаний от резонансной частоты и объема возможных деформаций от спектральной плотности колебаний бортов карьера (рис. 2). Обобщенные выражения взаимосвязей прогнозируемых объемов деформаций бортов карьера Мурунтау с высотой деформируемого слоя при массовых взрывах и сильном землетрясении имеют соответственно вид:
х/ 0.04Н
= 3.9 е ; х/ 0.05Н
»з = 19,4 е ,
где Ув, Уз - объем прогнозируемых деформаций при массовых взрывах и землетрясениях; тыс. м3; Н - высота деформируемого слоя пород, м.
По результатам сейсмических исследований Южный, Юго-Восточный и Северный участки бортов карьера Мурунтау были отнесены к деформационно опасным.
Следующим этапом в построении модели бортов карьера является определение границ и потенциальной линии сдвижения породных блоков методами полевой электрометрии и скважинной геофизики, что рассматривается на примере Северного борта.
Северный борт занимает особое место в иерархии бортов карьера Мурунтау в связи с тем, что:
• породный массив выступает внутрь карьера ("Северный залив");
• имеется серия оползней на горизонтах +495^435 м;
• направление генерального падения пород в сторону выработанного пространства;
Рис. 3. Кривые кажущегося сопротивления и относительного параметра анизотропии. Точка 2МД4. Гор.+495 м, Северный борт карьера Мурунтау
• согласно данных проектных институтов здесь был возможен крупный оползень, что привело бы к ограничению доступа к 2/3 второй рудной залежи, а проектный разнос борта требовал транспортировки около 70 млн.м3 породной массы.
Комплекс исследований по оценке устойчивости Северного борта включал геофизические исследования методами кругового и вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) с привлечением материалов интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС).
Метод кругового электрического зондирования позволяет определить вертикальные (наклонные) границы породного блока исходя из следующих соображений. Известно, что трещиноватость пород в значительной степени определяет их устойчивость, влияя на все без исключения петрофизические свойства породного массива и, следовательно, на физические поля. Наземные электрометрические исследования дают возможность определить господствующее простирание вертикальных и наклонных систем трещин и картировать их по площади, поскольку в анизотропной среде электрическое сопротивление является тензорной величиной.
Для оценки анизотропии кажущегося сопротивления породного массива, связанной в первую очередь с трещиновато-
стью пород, был введен относительный параметр анизотропии %, равный
£ = (Лиму1/ЛиМуу\\)*(му\ /MN-L),
где ЛиМУ х — разность потенциалов в линии, перпендикулярной основной; ЛиМУ п — разность потенциалов в основной линии; МТУ! — размер приемной линии, перпендикулярной основной; МУ\ — размер основной приемной линии.
Относительный параметр анизотропии позволяет определять трещиноватость пород массива вдоль линии зондирования, а мониторинг его величины во времени дает возможность оценить характер и параметры процесса трещинообра-зования массива. Для этого на стационарно оборудованных наблюдательных точках карьера Мурунтау установка для производства измерения была дополнена еще одной приемной линией, перпендикулярной направлению токовых разносов. При производстве замеров разность потенциалов измеряется как в обычной (в створе основного направления) линии МТУ, так и в перпендикулярной к ней.
На рис. 3 приведен график р к и относительного параметра анизотропии, полученные на точке 5 второго наблюдательного профиля Северного борта карьера.
Анализ формы кривых ВЭЗ, графиков относительного параметра анизотропии позволил сделать следующие практические выводы:
Рис. 4. Полиномиальный тренд относительного изменения кажущегося сопротивления. Наблюдения методом ВЭЗ, точка 2МД5
• повышенные значения относительного параметра трещиноватости отвечают наиболее нарушенным областям породного массива, что для участка расположения станции для производства наблюдений методом ВЭЗ 2МД5 означает возможность развития деформации № 32 (гор.+435^405м; дата регистрации деформации -июнь 1996 г.) на уступе горизонта до точки токового разноса АВ/2 = 30 м;
• в каждом конкретном случае при анализе значений относительного параметра трещиноватости следует учитывать конкретные инженерногеологические условия участка, принимая во внимание масштабный фактор при проведении исследований.
После выполнения ряда серий наблюдений был построен разрез Северного борта по пикетам ВЭЗ с наложением на него геоэлектрической модели массива и априорной инженерно-геологической информации. На этом разрезе были выделены геоэлектрические слои с пониженным значением электрического сопротивления, соответствующие зонам повышенного горного давления. В результате анализа этих данных было определено положение в горном массиве зоны повышенных напряжений и сделаны следующие выводы:
• зона повышенных напряжений совпадает с зоной повышенной трещиноватости и рассланцованности пород, подтвержденных разведочным бурением, что свидетельствует о надежности данных, полученных способом ВЭЗ;
• зона повышенных напряжений начинается в 40-45 м от границы карьера (гор.+585 м) и прослеживается на протяжении 200 м с постоянным заглублением от 85 м до 125 м
при выходе в борт карьера в районе гор.+495^465м;
• пологое залегание зоны повышенных напряжений не может сформировать поверхность скольжения и спровоцировать оползень Северного борта карьера;
• зона разгрузки напряжений спровоцировала в свое время в пределах горизонтов +495м^465м серию деформаций откосов уступов.
В 1998 году с целью определения вертикальных блоковых границ породного массива был выполнен анализ данных разведочного бурения интерпретация диаграмм каротажа скважин Северного борта. В результате работ была получена блок-диаграмма участка Северного борта карьера с вынесенной на нее границей тектонического блока.
Учитывая пространственное положение выделенного тектонического блока относительно структурных линеаментов для изучаемого участка были сделаны следующие предположения: все деформации Северного борта отвечают единому тектоническому блоку (за исключением деформаций зоны Северо-восточного разлома);
данный тектонический блок находится в напряженном состоянии, тектонические трещины в нем обладают современной активностью;
при развитии горных работ возможна активизация деформационных процессов на границах блока, что наиболее ве-
роятно при отработке зоны широким фронтом с юго-запада.
Важное значение для безопасности горных работ в карьерах имеет прогнозирование не только места и объемов, но и времени деформаций. С этой целью на гор.+435м Северного борта карьера Мурунтау, где прогнозировалась деформация уступов, были оборудованы стационарные наблюдательные станции. Режимные наблюдения велись методом вертикального электрического зандиро-вания массива в сочетании с маркшейдерскими измерениями. Они продолжались более 3х лет и позволили проследить изменение характеристик массива на всех стадиях развития деформации. Результаты режимных наблюдений методом ВЭЗ приведены на рис. 4, анализ которых позволил сделать следующие выводы:
• изменения кажущегося сопротивления пород во времени с определенной степенью достоверности отвечают изменениям физического состояния массива, а именно его напряженно-деформированному состоянию;
• на участках, непосредственно примыкающих к зоне вероятного деформирования (в пределах первых сотен метров), падение сопротивления накануне его возникновения достигает 30^40 %;
• при анализе данных ВЭЗ необходимо, прежде всего, принимать во внимание характер изменения, а затем и амппиту-
ду изменения кажущегося сопротивления пород, которая зависит от местоположения заземляющего электрода;
• режимные геофизические наблюдения в предложенном варианте дают возможность прогнозировать состояние при-контурного массива карьеров в целом;
• наблюдения необходимо проводить не реже одного
раза в месяц с тем, чтобы заблаговременно (за 2-3 месяца до деформации) и достоверно (минимум 3 наблюдения) уло-вить тенденцию изменения кажущегося сопротивления пород и сделать необходимые выводы.
Таким образом, с использованием комплекса геофизических методов исследований создана геомеханическая модель карьера Мурунтау, как со-
ставной части геодинамической системы «район месторождения ^ карьерное поле ^борт карьера», в которой проведено районирование бортов по степени устойчивости, и определены характеристики горного массива, предшествующие его деформации.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
