CC BY
54
© А.В. Ловчиков В.П. Гуменников 2002
УДК 622.831
А.В. Ловчиков В.П. Гуменников
ПРОГНОЗ СИЛЬНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ ЛОВОЗЕРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
ВЛовозерском массиве на Кольском полуострове, который считается асейсмичным районом, в течение последних 10 лет зарегистрировано более 100 землетрясений с магнитудами М=1-4.4. В предыдущей период в этом районе полуострова землетрясения вообще не происходили. Некоторые землетрясения проявились в виде горнотектонических ударов в подземных выработках рудников отрабатываемого Ловозерского редкометального месторождения. Мы связываем увеличение числа сейсмических событий в массиве с явлением возбужденной сейсмичности, вызванной отработкой месторождения.
На рис. 1. приведен график последовательности сейсмических событий в Ловозерском массиве. Из рисунка видно, что распределение землетрясений в течение времени как по числу, так и по энергетическим характеристикам неравномерно.
На рис. 2 показано распределение числа землетрясений по годам в период 1991-2001 гг. Из рис. 2 видно, что сейсмичность в Ловозерском массиве наиболее проявлялась в конце 1992-93, 1997 и 1999 гг. С этими же периодами совпадает проявление наиболее сильных горно-тектонических ударов, повлекших за собой катастрофические разрушения выработок в рудниках [1]. Ввиду того, что горнотектонические удары существенно влияют на производственный процесс рудников, необходимо иметь представления о вероятности этих событий в будущем. Попытка такого прогноза предпринята в настоящей работе на основе ретроспективного анализа зарегистрированных сейсмических и сейсмо-акустических данных.
Ловозерский массив представляет собой относительно однородный, жесткий, резко ограниченный геологическими границами участок земной коры, сложенный прочными скальными породами. Массив расположен в центре Кольского полуострова рядом с Хибинским массивом (их разделяет впадина оз. Умбозеро). Площадь Ловозерского массива 650 км2, максимальная отметка гористой поверхности 1120 м. Он относится к тектонически напряженным массивам [2].
В качестве физической основы рассматриваемых сейсмических процессов предполагается, что массив деформируется по закономерностям иерархической совокупности геолого-структурных блоков П-Ш и более низших рангов [3], вложенных друг в друга и взаимодействующих между со-
Рис. 1. Землетрясения в Ловозерском массиве в 1990-2001 гг. (по данным КРСЦ РАН)
Рис. 2. Распределение числа землетрясений в Ловозерском массиве по годам ( неполн! Ънные)
бой, то есть используется модель геологической среды М.А. Садовского. В соответствии с этими представлениями, будем полагать, что сейсмические события в массиве и, в частности, горно-тектонические удары в рудниках, вызываются перераспределением напряжений и масс горных пород в зонах взаимодействия граней блоков 1У-У1 рангов, характеризующихся повышенным уровнем тектонических напряжений и повышением деформационной способности массива, вследствие проведения комплексов горных
выработок.
Ловозерское редкометальное месторождение эксплуатируется с 1953 г. сначала рудником «Карнасурт», а с 1984 г. еще и другим рудником «Умбозеро». Эти рудники размещаются на северо-западных склонах Ловозерского массива (рис. 3) в одинаковых вмещающих породах (несколько разновидностей нефелиновых сиенитов - луявриты, уртиты, фойяиты, ювиты и т.п.) и имеют близкие горногеологические условия.
Рудники отрабатывают маломощные пологопадающие пластообразные рудные залежи, выходящие на поверхность на склонах массива. Вследствие близких горногеологических условий, на рудниках применяется сходная технология горных работ, при которой рудные залежи отрабатываются камерами (блоками) по простиранию, либо по падению рудных тел, шириной от 15 до 80 м и длиной от 50 до 250 м, разделяемыми опорными ленточными целиками, шириной от 3 до 20 м. Площадь шахтных полей обоих рудников не превышает суммарно 2% площади всего Ловозер-ского массива. Местоположение шахтных полей стационар-
25
3 ! 5 2 111111111 8 ; 8
но в пространстве, а ежегодные изменения геодинамическо-го режима массива обусловлено естественными природными периодическими процессами и, в меньшей мере, - продвижением фронтов и забоев подготовительных и очистных выработок. Предполагая, что сейсмические события являются следствием перемещения одних и тех же структурных блоков 1У-У1 рангов, активизированных горными работами, исследуем периодичность таких изменений.
Существенно важно то обстоятельство, что некоторые сейсмические события проявляются в виде горнотектонических ударов в горных выработках рудников. На рис. 1 отмечены даты проявления наиболее сильных горно-
Рис. 3. Схема расположения рудников «Карнасурт» и «Умбозеро в Ловозерском массиве.
Рис. 4. Распределение суточной плотности сейсмо-акустических событий за период 1989-2000 гг.
Рис. 5. Распределение сейсмических и сейсмо-акустических событий в Ловозерском массиве (1989-2000 г.)
тектонических ударов. Данные о таких событиях представлены в таблице.
Как видно из приведенных данных, число сейсмических событий, реализующихся в виде горно-тектонических ударов в выработках, невелико и не превышает 5% от числа всех событий. Однако, поскольку эти, по существу, единичные сейсмические явления представляют большую опасность для рудников, необходимо знать вероятность их возникновения. При анализе использовались две базы данных инструментальных наблюдений. Во-первых - данные регистрации крупных сейсмических событий (М>1) в Ловозер-ском массиве, зарегистрированных Кольским региональным сейсмологическим центром ГС РАН (рис. 1 и 2), расположенным на расстоянии около 50 км от рудников. Однако эти данные имеют недостаточную продолжительность - с 1992 г., поскольку именно с этого момента в КРСЦ началась цифровая регистрация сейсмических событий. Вторая база данных - результаты непрерывной регистрации сейсмо-акустической информации геофоном, установленным непосредственно в подземных выработках рудника «Умбозеро». Геофоном регистрировались сейсмо-акустические сигналы из массива в более широком частотном диапазоне, однако они характеризуют те же самые процессы, что и сейсмологические наблюдения.
График распределения сейсмо-акустических событий в массиве рудника «Умбозеро» приведен на рис. 4. Он, как видно из рис. 4, охватывает более продолжительный, по сравнению с сейсмологическими наблюдениями, период -1989-2000 гг. На рис. 5 приведены гистограммы зарегистрированных сейсмических и сейсмо-акустических событий в Ловозерском массиве в период 1989-2000 гг..
Распределение сейсмо-акустических и сейсмических данных соответствует друг другу и, кроме того, сейсмо-акустическая информация существенно дополняет данные сейсмических наблюдений, особенно для периода 1989-1992 гг., в котором сейсмическая информация либо отсутствует, либо представлена не в полном объеме.
Для статистического анализа сейсмических событий выбран показатель среднесуточной выделенной энергии крупных событий (магнитуда М>1), позволяющий охарактеризовать удельную выделенную энергию в разные периоды наблюдений. При помощи этого показателя ретроспективно расчитаны интервалы между сейсмическими событиями (рис. 6). Как видно из рис. 6, в периоды наибольшей сейсмической активности, интервал времени между крупными событиями уменьшается до величин, составляющих долю суток, а в периоды наименьшей активности он увеличивается до величины более 80 суток. Для исследуемой совокупности сейсмических событий разных классов установлена следующая зависимость интервалов времени между событиями соответствующих магнитуд:
ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ УДАРОВ В РУДНИКЕ «УМБОЗЕРО»
Дата события Магнитуда события Местоположение очага Последствия
рудник местоположение в руднике
25.10.1991 03.11.1991 09.11.1991 2.2 - 2.6 Умбозеро Блок 1ю Обрушение кровли в камерах, разрушение откаточных штреков на площади ~80 тыс. м2; горные работы в блоке прекращены.
30.11.1992 1.5 Умбозеро Блок 3 с Вывалы в камерах 6/230-10/230, 5/210 до 400 м2.
17.08.1999 4.0 - 4.4 Умбозеро Блоки 1с - 3с Разрушение штреков, капитальных транспортных выработок и очистных камер на площади 600-650 тыс. м2. Полная остановка рудника на 3.5 месяца.
Л ЫЫ £ + B Л ЫЫ £ + B
Ti ~ Т п ~ !
I п
где Ти Тп - временные моменты событий (г'<п); Ы£ - магнитуда класса к; Л, В - коэффициенты; I, п - порядковый номер события.
В соответствии с расчетами по формуле и графиками просматриваются следующие циклы сейсмической активности массива: 8-летний цикл между наиболее мощными со-
Рис. 6. Среднее время ожидания сейсмического события М=>1, сут.
бытиями (М>3), который зарегистрирован пока только однажды, вследствие чего статистической оценки не подлежит; 5-летний цикл между событиями несколько меньшего энергетического уровня (М 2 2-3) и 2-летний цикл между событиями еще меньшего уровня с магнитудой М 2 1.5-2.0. Конечно, 10-летний период наблюдений пока недостаточен для выявления статистических закономерностей сейсмических событий, однако он позволяет сделать первые, приближенные оценки этих закономерностей. Пока же можно отметить, что 8-летний интервал между наиболее мощными сейсмическими событиями, установленный для Ловозерско-го массива, совпадает с аналогичным установленным Г.Д. Панасенко интервалом для Хибинского массива, что подтверждает правомерность этой закономерности.
Установленные закономерности были заложены в основу прогноза во времени сильных геодинамических событий в массиве рудников Ловозерского месторождения в 2002001 гг. Полуторалетний период наблюдений после его выполнения позволяет заключить о достоверности основных положений прогноза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козырев А.В., Ловчиков А.В., Кузьмин ИА. Сильнейшее техногенное землетрясение
на российских рудниках, 17 августа 1999 г., рудник «Умбо-зеро» (Кольский полуостров). Горный информационно-аналитический бюллетень, №°6, 2000, с.169-173.
2. Козырев АА., Панин В.И.,
В.И. и др. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах. Ч. 1, Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1996, 160 с.
3. Ловчиков А.В. Нарушение геодина-мического равновесия массивов горными
работами (практические примеры). Сб. докладов Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, 4-7 октября 1999 г.).
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ловчиков Александр Васильевич — доктор технических наук, зав. сектором Горного института Кольского научного центра РАН. Гуменников Владимир Порфирьевич — научный сотрудник Горного института Кольского научного центра РАН.
