CC BY
29
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(12):5-29
УДК 550.3 + 622 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-05-29
РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ГЕОТОМОГРАФИИ. ЧАСТЬ III: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОДЗЕМНЫХ И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ
В.Н. Опарин1, В.В. Адушкин1,2, В.И. Востриков1, В.Ф. Юшкин1, Т.А. Киряева1
1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, Новосибирск, Россия, e-mail: oparin@misd.ru 2 Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия
Аннотация: В развитие инструментального обеспечения основ нелинейной геотомографии на волнах маятникового типа — регистрации сложных деформационно-волновых и анализа сопряженных с ними сейсмоэмиссионных процессов, индуцируемых подземными и открытыми горными работами, а также землетрясениями и мощными взрывами — представлены современные перспективные приборно-измерительные комплексы ИГД СО РАН. Технические требования к их созданию во многом учитывают необходимость регистрации динамико-ки-нематических характеристик волн маятникового типа в напряженных геосредах блочно-ие-рархического строения, формализованные связи которых с сопутствующими им сейсмоэмис-сионными процессами отражены в предыдущей части (II) настоящей статьи. Дано описание двух базовых измерительно-вычислительных комплексов для осуществления мониторингового вида измерений абсолютных смещений и деформаций в реальных по строению геосредах в динамическом режиме для их эксплуатации в подземных горных выработках, а также на карьерах в экстремальных природно-климатических условиях Сибири. Работоспособность измерительных комплексов при регистрации низкоскоростных (менее 10 м/с) волн маятникового типа иллюстрируется, соответственно, их натурными записями от технологических взрывов на медно-никелевых месторождениях Норильска (приборный комплекс МОЭД-п) и на карьерах кимберлитовых трубок Якутии (многофункциональный деформационно-волновой измерительно-вычислительный комплекс ИГД СО РАН «Карьер»). Их сравнительный анализ со структурой записей «волновых пакетов» повышенной газодинамической активности угольных шахт Кузбасса, индуцированной землетрясениями, по каналам системы автоматизированного газового контроля (АКГ) показал наличие детерминированной связи последних с приходом низкоскоростной группы волн маятникового типа (менее ~5 м/с). Ключевые слова: геотомография на волнах маятникового типа, напряженные массивы горных пород, блочно-иерархическое строение, нелинейные деформационно-волновые процессы, измерительно-вычислительные комплексы для регистрации маятниковых волн, подземные выработки рудников Норильска, кимберлитовые трубки и карьеры Якутии, натурные записи от технологических взрывов, система газового контроля (АГК), индуцированная землетрясениями газодинамическая активность на шахтах Кузбасса.
Благодарность: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-17-01282).
© В.Н. Опарин, В.В. Адушкин, В.И. Востриков, В.Ф. Юшкин, Т.А. Киряева. 2019.
Для цитирования: Опарин В. Н., Адушкин В. В., Востриков В. И., Юшкин В. Ф., Киряева Т. А. Развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геотомографии. Часть III: перспективные системы контроля деформационно-волновых процессов в подземных и наземных условиях ведения горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2019. - № 12. - С. 5-29. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-5-29.
Experimental and theoretical framework of nonlinear tomography. Part III: Promising systems to control deformation and wave processes in surface and underground mining
V.N. Oparin1, V.V. Adushkin12, V.I. Vostrikov1, V.F. Yushkin1, T.A. Kiryaeva1
1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia, e-mail: oparin@misd.ru 2 Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Abstract: To expand the range of instrumentation for nonlinear geotomography using pendulum waves, recording of complex deformation and wave processes, as well as analysis of the related seismic emission processes induced by surface and underground mining, earthquakes and powerful explosions, this article describes the modern and promising measuring equipment designed by the Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences. Specifications of the equipment provide recording of the dynamic and kinematic characteristics of pendulum waves in high-stress geomedia with hierarchical block structure. The formalized connection between such structure and seismic emission processes was described earlier (Part II of the article). This part of the article presents two basic measuring and computing systems for monitoring absolute displacements and strains in real geomedia in a dynamic mode in underground and surface mines under extreme climate of Siberia. Efficiency of the measurement systems in recording of low-velocity (less than 100 m/s) pendulum waves is illustrated by the field records of blasting at copper-nickel mines in the Norilsk Region (instrumentation system MOED-p) and in open pit mines at the kimberlite pipes in Yakutia (multi-functional deformation-wave measuring and computing system Karier). The comparative analysis of these records and the wave packets of higher gas-dynamic activity induced in Kuzbass mines by earthquakes according to the readings of automated gas control systems shows the deterministic connection of earthquakes and low-velocity pendulum waves (less than 5 m/s).
Key words: geotomography using pendulum waves, high-stress rock masses, hierarchical block structure, nonlinear deformation-wave processes, measuring and computing equipment for pendulum wave recording, underground mines of Norilsk, kimberlite pipes and open pit mines of Yakutia, field records of production explosions, gas control system, earthquake-induced gas-dynamic activity in Kuzbass mines.
Acknowledgements: The study was supported by the Russian Science Foundation, Project No. 1717-01282.
For citation: Oparin V. N., Adushkin V. V., Vostrikov V. I., Yushkin V. F., Kiryaeva T. A. Experimental and theoretical framework of nonlinear tomography. Part III: Promising systems to control deformation and wave processes in surface and underground mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(12):5-29. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-5-29.
Введение
В предыдущих частях настоящей статьи [1, 2] обоснована постановка актуальной проблемы и сформулированы
задачи по развитию экспериментально-теоретических основ нелинейной геотомографии на волнах маятникового типа в напряженных геосредах блочно-иерар-
хического строения массивов горных пород и геоматериалов. Выделены два основных направления исследования и разработок, обозначенных соответственно как «активная» и «пассивная» геотомографии. Описаны динамико-кинематиче-ские характеристики нелинейных упругих волн маятникового типа в многофазных геосредах в зависимости от напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и их блочно-иерархической структуры, энергетических параметров источников излучения. Отмечена детерминированность связи между развитием нелинейных деформационно-волновых и сейсмоэмиссионных процессов от источников их возбуждения.
Особо подчеркнуты при этом такие важные следствия из разрабатываемой теории, как возможность количественного описания связи между динамико-ки-нематическими характеристиками волн маятникового типа и индуцируемыми ими физико-химическими процессами в органогенно-насыщенных массивах горных пород (угольные и нефтегазовые месторождения). Показано, что в рамках разрабатываемого энергетического подхода к анализу указанных связей удается количественно оценить вклад глобальных геодинамических и локальных геомеханических полей по энергетическим классам индуцируемых сейсмособытий из их очаговых зон (взрывы, землетрясения и прочее).
В силу специфических особенностей возникновения и распространения нелинейных упругих волн маятникового типа от динамических источников в реальных — многофазных — напряженных массивах горных пород блочно-иерархи-ческого строения, для регистрации этой широкой по скоростным диапазонам группы волн, как показано в [3], необходимо применять приборно-измеритель-ные комплексы, существенно отличные от известных сейсмоакустических или
сейсмологических измерительных систем. Последние, в лучшем случае, способны отражать «модулирующее» начало маятниковых волн в регистрируемых записях сейсмособытий и акустического фона.
Для восполнения известной «неполноты» регистрируемой сейсмическими методами информации [3, 4], в первую очередь по «высокоэнергетическим» и низкоскоростным (по сравнению с классическими продольными и поперечными Р и Э волнами), ниже представлены оригинальные современные технические разработки ИГД СО РАН мониторингового контроля нелинейных деформационно-волновых процессов в массивах горных пород для наземных и подземных условий отработки месторождений твердых полезных ископаемых Сибири с учетом ее экстремальных природно-климатических условий.
Современные достижения в этом важном направлении научно-технических разработок по различным аспектам обстоятельно отражены в работах [3—7]. В значительной мере они явились интеграционными для ряда ведущих научных организаций России по геомеханико-геофизическим исследованиям и научному приборостроению в горном деле.
О перспективных системах мониторингового контроля нелинейных сейсмо-деформационно-волновых процессов в массивах горных пород и геоматериалах
В работах [3, 7] отмечалось, что открытия явления знакопеременной реакции горных пород на взрывные (динамические) воздействия в породных массивах и нелинейных упругих волн маятникового типа явились, по существу, рубежными в конце минувшего века для инициирования и создания нового уровня измерительных систем прецизионного контроля
развития нелинейных деформационно-волновых процессов в ближней, переходной и дальней зонах от очагов разрушения горных пород. Традиционными сейсмическими методами, из-за известных аппаратурных ограничений по чувствительности и динамическому диапазону измеряемой информации (особенно в ближней зоне!), с удалением источников излучения упругих волн это делать, как оказалось, практически невозможно.
Сюда «добавились» и новые методические и технические требования к контрольно-измерительным комплексам оптоэлектронного типа по количеству и относительному расположению первичных преобразователей, их сопряжению с породными массивами на поверхности Земли и в пробуренных скважинах. При этом необходимо было учесть также влияние природно-климатических и горно-геологических условий отработки месторождений твердых полезных ископаемых Сибири (инфраструктурные особенности выполнения измерений), а также блочно-иерархическую структуру массивов горных пород. Последняя непосредственно [3] контролирует деформационно-волновые процессы и ди-намико-кинематические характеристики маятниковых волн за счет колебательных движений их вещественных носителей в виде геоблоков определенных размеров — «работающих» геоблоков [2]. Для физического моделирования особенностей развития деформационно-волновых процессов геотехнологической направленности в последнее десятилетие широкое применение получают современные тепловизионные и спеклометрические лазерные системы дистанционного контроля [8—10].
В данной части статьи опишем две базовые разработки ИГД СО РАН для построения перспективных систем мониторингового контроля нелинейных сейсмо-деформационно-волновых процессов в
массивах горных пород, получивших успешную апробацию на крупнейших месторождениях Сибири: медно-никелевых рудниках Норильска в подземных условиях и алмазоносных рудниках Якутии в наземных условиях карьеров (кимбер-литовые трубки).
Такой выбор позволяет акцентировать особое внимание на следующих важных методических аспектах:
• во-первых, целевом назначении измерительных комплексов по горнотехническим условиям их применения. Это — подземные и открытые геотехнологии ведения горных работ;
• во-вторых, необходимости совместной регистрации сейсмических и деформационно-волновых процессов от источников взрывных (динамических) воздействий для выделения разных скоростных групп нелинейных упругих волн маятникового типа;
• в-третьих, наличии качественно новых возможностей по дистанционному контролю, анализу и обмену информацией от этих измерительных систем между удаленными местами локализации измерительных комплексов на горнодобывающих объектах и Центрами сбора и обработки натурной информации (в т.ч. по сети Internet). Последние могут располагаться в разных населенных пунктах или городах на больших расстояниях друг от друга.
Базовый приборный комплекс и мониторинговая система автономного контроля деформационно-волновых процессов в массивах горных пород скважинного типа
Разработка приборно-измерительных комплексов в направлении экспериментальных исследований для решения динамических задач нелинейной геомеханики в горном деле впервые была инициирована в ИГД СО РАН в конце минув-
шего века [11—13]. В дальнейшем они послужили основанием для расширения исследований и разработок по научному приборостроению для комплексных гео-механико-геофизических исследований по созданию нового уровня мониторинговых систем безопасного недропользования в нашей стране с участием больших коллективов ученых и инженеров в рамках долговременных интеграционных проектов СО РАН [4—7]. Этому в значительной мере способствовали также параллельно проводимые исследования по научному геофизическому приборостроению в Институте лазерной физики и Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения (КТИ НП) Сибирского отделения РАН [7, 14].
В данном разделе нами выделены лишь первые [12, 13] — базовые разработки ИГД СО РАН, положенные в основу (в первую очередь — методологическую) упомянутых междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН, ориентированных в основном на создание методических и приборно-измерительных основ развития теории волн маятникового типа, а также на наиболее важные результаты их практического применения в горном деле. На этих примерах, по существу, будут показаны выделенные выше «акцентные позиции», отличающие сложность решения поставленных задач, подробно описанных в монографиях [4, 7].
В качестве базового приборного комплекса для контроля нелинейных деформационно-волновых процессов в масси-
вах горных пород скважинного типа при автономных измерениях в динамическом режиме смещений и деформаций вдоль скважин явился многоканальный продольный деформометр МОЭД-1п [12, 13]. Его создание и натурные испытания на рубеже минувшего и начала нынешнего веков позволило выполнить на рудниках Норильского месторождения полиметаллов достаточно широкомасштабные его испытания на примере детального изучения явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия. Динамические измерения деформационно-волнового поля вокруг очаговых зон разрушения горных пород в виде образуемых подземных выработок непосредственно в технологическом процессе их проходки одновременно в трех зонах влияния взрывов — «ближней, переходной и дальней» — были осуществлены впервые и описаны в [4].
Усовершенствованный затем измерительный комплекс был разработан на основе применения датчика абсолютных угловых положений, что необходимо для непрерывных прецизионных измерений смещений геоблоков в массивах горных пород и определения деформаций в геосредах с естественной и наведенной структурой его нарушенности (зоны дезинтеграции, тектонические разломы, индуцируемые горным давлением и взрывами: породные целики, закладочные массивы и т.д.) через скважину (рис. 1), а также для наблюдения за деформациями в несущих конструкциях инженер-
Рис. 1. Функциональная схема 4-канального скважинного продольного деформометра Fig. 1. Function chart of 4-channel downhole longitudinal deformometer
Таблица 1
Интервалы глубин разрушения h, зафиксированные при динамических проявлениях
горного давления (рудники Норильского месторождения)
Failure depth ranges h under dynamic events due to rock pressure (Norilsk mines)
h, м 0,3* 0,5 0,7 0,8 0,9 1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2 2,5 3 3,5 4 6 7 8
Количество 2 8 4 1 1 12 3 1 9 1 3 12 4 7 1 3 1 1 1
* Размер определен для штанг.
ных сооружений (плотины, насыпи, тоннели, горные отвалы и т.д.). Основное же применение — исследование механизма распространения низкоскоростных деформационных волн (маятникового типа) и контроля их параметров при техногенных воздействиях от взрывов и горных ударов по системе геоблоков (С1 — С., / е 1 —п) в приконтурной части породных массивов подземных выработок рудников и шахт. Здесь / — порядковый номер геоблока в структуре массива по глубине скважины, считая от борта выработки.
Зоны дезинтеграции могут определяться экспериментально как путем визуального осмотра скважин при помощи погружной видеокамеры с определением глубин фактического залегания трещин и их систем в теле массива, так и с помощью выделения границ зон по характерным вывалам и обрушениям пород в результате проявлений горного давления. В обоих случаях для количественного описания блочно-иерархиче-ского строения массива наиболее удобно использовать полу- или билогарифми-ческую шкалу с основанием л/2
А V ^^ А о х V ^^ х; А = f (х), где А и х — некоторые нормированные специальным образом /'-функционально связанные величины) [15]. Получаемая по экспериментальным данным расчетная шкала линейных размеров блоков достаточно четко отражает возможные границы зон дезинтеграции по глубине массива в приконтурной части выработки, что служит основанием для выбора базовых размеров измерительной штанги по глубине установки деформо-
метра в скважине и расстановки измерительных модулей в границах контролируемых геоблоков (рис. 1).
В рассматриваемой конструкции де-формометра интервалы глубин разрушения (табл. 1) по максимумам количества вывалов данного размера, попадающих в билогарифмическую шкалу с основанием л/2, использованы для выбора базовой длины измерительной штанги и расстановки измерительных модулей для контроля медленных сдвигов геоблоков по глубине массива (Норильское месторождение).
Диапазон измерений датчика можно выбирать, используя известное соотношение между величинами раскрытия трещин и диаметрами отделяемых ими блоков в структуре горного массива, которые описываются функцией статистического распределения, близкого к нормальному [2, 3]:
и (5) = -!- = &■ 10-2 (для любого /), (1)
л/
где 8. — среднее раскрытие трещин (расстояние между их берегами); Д. — диаметр блоков /-го иерархического уровня; коэффициент 0 наиболее часто попадает для любого / в интервал 0,5 — 2,0, т.е. 0 е (0,5 — 2,0). Под раскрытием трещин в общем случае понимается ширина как собственно раскрытия трещин, возникающих при образовании дефектов в геоматериалах, так и зон дробления пород вокруг тектонических разломов различного масштабного уровня (зоны слабосцепленных между собой фракций пород).
Реальное раскрытие трещин в (1) обычно на один-два порядка меньше в напряженных массивах горных пород. Так, по данным маркшейдерских служб рудников Норильского месторождения известно (см. табл. 1), что характерные глубины вывалов горных пород в бортах выработок варьируются в большинстве случаев в пределах от 0,5 до 2,0—2,5 м, достигая иногда 3—4 и даже 8 м (как правило, в кровле выработки). Принимая глубину вывала в бортах выработки от 0,5 до 4 м за линейный размер отделяемого блока, можно использовать соотношение (1) при оценке величин раскрытия трещин. Для указанных размеров эти «раскрытия» будут варьироваться от 2,5 мм до 80 мм при 0 = 2. Ограничиваясь 0 = = 1 и учитывая, что отделение блоков на глубину более 4 м происходит крайне редко, раскрытие трещин может составлять от 2,5 до 40 мм. В соответствии с этим диапазон измерений датчика линейных перемещений можно принять равным от 0 до 40 мм, что, как показали эксперименты на рудниках Норильска, является приемлемым по техническим характеристикам измерительных устройств.
Скважинный деформометр представляет собой сборную конструкцию, состоящую из четырех однотипных устанавливаемых на центрально расположенной продольной секционированной измерительной штанге измерительных модулей с выдвижными разжимными опорами для крепления к стенке скважины, что обеспечивает достаточную жесткость и надежность сцепления с породой. Он рассчитан на автономную работу в автоматическом режиме в скважинах глубиной до 16 м, снабжен аккумулятором, микропроцессором и встроенным блоком памяти, что позволяет работать без компьютера. Глубину установки якоря измерительной штанги можно увеличить путем вставки дополнительных секций. Механические узлы и детали (кроме бло-
ка датчиков), помещаемые в скважину, выполнены из нержавеющей стали и допускают эксплуатацию в химически агрессивной среде.
В состав измерительного комплекса (рис. 2) входят: базовый якорь 1 (репер), измерительная штанга 2, четыре измерительных модуля 3, четыре измерительных тяги 4, блок датчиков БД, блок питания и сбора данных (БПСД), компьютер ПК. Усилие прижима выдвижных опор 5 якоря и измерительных модулей к стенке скважины рассчитано на 500 кГс и выбрано из условия исключения проскальзывания контактной накладки опоры вдоль стенки при ускорении порядка 10 ё при взрывах, где ё — ускорение свободного падения, 9,81 м/с. Привод опор — механический, с помощью пары винт-гайка. Вращение винта обеспечивается соответствующей измерительной тягой. Для исключения люфтов при сборке и измерениях все сочленения в муфтах и стяжках выполнены конусными. Для свободного перемещения по скважине при монтаже вся конструкция установлена на колесные пары. Зазор свободного прохода в сечении скважины при установке составляет 5 мм по радиусу.
Блок датчиков служит для преобразования перемещений измерительных модулей относительно якоря в цифровой код и устанавливается в устье скважины. Корпус 1 блока датчиков крепится на штанге якоря цангой 2, удерживаемой зажимом 3. Перемещение тяги при помощи рычага 4 и шкива 5 преобразуется в поворот датчика угол-код 6. В качестве датчиков используются абсолютные угловые датчики типа ЛИР-ДА-113А. Сигналы датчиков преобразуются процессорной платой 7 в двоичный код, передаются в блок БПСД, где происходит накопление данных. Корпус блока датчиков защищает электронные компоненты от механических воздействий при установке в скважине. Ресурс аккумулятора
Рис. 2. Схема измерительной системы дистанционного мониторинга деформационно-волновых процессов в массивах горных пород (а) и внешний вид деформометра при лабораторных испытаниях на метрологическом стенде (б) и в скважине карьера «Ложок», Новосибирская обл. (в) Fig. 2. Arrangement of measuring system for remote monitoring of deformation-wave processes in rock mass (a) and physical configuration of deformometer in lab test (b) and in borehole in the Lozhok open pit mine, Novosibirsk Region (c)
обеспечивает автономную работу в течение 7 сут. Считывание информации в компьютер может осуществляться через стандартный порт USB как непосредственно при измерениях, так и после отключения и доставки блока БПСД в удобное для перезаписи место. Внешний вид многоканального скважинного продольного деформометра показан на рис. 2, б. Испытания прибора в скважине выполнены в карьере «Ложок», Новосибирская обл.
На рис. 3 приведены некоторые данные натурных испытаний базового [12]
приборного комплекса по изучению особенностей развития деформационно-волновых процессов вокруг подземных выработок при ведении буровзрывных работ на рудниках Норильска. К испытаниям были приняты разные варианты схемы установки прибора МОЭД-1п [4]. Один из них — с постоянным интервалом (шагом) зон измерения деформаций и смещений и креплением базовой опоры в устье скважины (рис. 3).
Для установки прибора использовалась скважина, а глубина контроля прибором составила 6,5 м (с учетом заглуб-
ления базовой опоры на 0,5 м от устья скважины в связи с наличием трещин и сколов по бортам выработки).
Длительность цикла измерений составила двое суток. За этот период проверялось функционирование прибора и регистрировалась реакция пород на взрывы № 1-3* в забоях РШ 5-78-1, РШ 5-80-8 и РШ 5-84-9. Измерения осуществлялись по трем каналам (датчик 0, 1 и 2 согласно схеме на рис. 3, а с временем опроса, равным 1 с. Продолжительность работы прибора при записях реакции пород на взрыв взрывы составила 22 мин 45 с. Деформации от взрывов регистрировали в режиме автоматического управления при питании прибора от автономного источника тока.
Циклограммы смещений породных блоков в целике от взрывов № 1*—3* зафиксированы датчиками 0 и 1, и примеры записей представлены на рис. 3, б. От взрыва № 1* зарегистрированы продольные смещения участка массива, контролируемого датчиком 0, а от взрывов № 2* и 3* — датчиками 0 и 1. Как видно из представленных графиков, длительность начальных пакетов деформационной волны составляет 10—12 с (особенно четко это видно по записям от первого взрыва). Однако длительность сейсмических волновых пакетов от тех же взрывов, регистрируемых сейсмо-станцией «Норильск», составляла 0,5 с. Их отношения равны 20—24 и практически совпадают с коэффициентом «акусти-
* Взрыв
Время, с До з*
Рис. 3. Схема экспериментов (а) и примеры записей (б) динамических смещений блоков целика при действии взрывов № 1*, 2* и 3* на руднике «Октябрьский» Норильского месторождения по [13]
Fig. 3. Experimental design (a) and illustrative records (b) of dynamic displacements of pillar blocks under explosions 1*, 2* and 3* in the Oktyabrsky Mine at the Norilsk deposit, according to [13]
ческой радуги» х « 22,63 для ассоциированной группы упругих волн [3].
Общий анализ всех циклограмм породных смещений типа, представленного на рис. 3, б, позволяет обратить внимание на их структуру в виде локализованных во времени пакетов деформационных волн, разделенных интервалами «затишья». В этом отношении весьма показателен график записи по каналу 0, наиболее близко расположенному к контуру наблюдательной выработки (со стороны осуществляемых взрывов). Как показано в [4, 13] по полному циклу проведенных измерений, скоростной диапазон волн маятникового типа оказался в пределах 1^2 м/с с учетом мощности применяемых ВВ (50^1570 кг) при проходке выработок и удаления эпицентров взрывов от мест регистрации индуцируемых ими деформационно-волновых процессов (70^300 м).
Мониторинговая система дистанционной диагностики и контроля геомеханического состояния и нелинейных деформационно-волновых процессов в прибортовых частях породных массивов глубоких карьеров Якутии
Проблема оптимизации конструкции бортов карьеров весьма актуальна для открытых горных работ, особенно по мере роста глубин осваиваемых горизонтов. Существующие нормативные документы и принятые методы оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров базируются, главным образом, на положениях механики грунтов и в свое время были разработаны для относительно неглубоких карьеров в породных массивах, представленных рыхлыми или непрочными осадочными породами. Распространение этих методов на скальные, обычно прочные, породы сопровождается известным «запасом прочности» в
расчетах конструкций их бортов и уступов. При этом часто не учитываются и специфические особенности скальных массивов: их блочно-иерархическое строение и естественное напряженно-деформированное состояние, обусловленное действием гравитационно-тектонических полей напряжений [6].
Увеличение углов откосов разрабатываемых карьеров позволяет сократить объемы вскрышных работ, значительно увеличить глубину открытых горных работ и в конечном итоге повысить экономические показатели горнодобывающего предприятия. Так, например, на золоторудном карьере «Навахбах» в Намибии ведется разработка крутопадающего рудного тела. Достигнутая глубина горных работ — 230 м [16]. В 1998 г. на восточном борту карьера произошло обрушение пород высотой 15 м. В следующем году здесь же высота обрушенных пород составила 30 м, а в 2001 — 50 м. Произошедшие аварийные обрушения инициировали организацию системы комплексного мониторинга устойчивости бортов карьера. По данным измерений необходимо было принять решение: либо выполаживать углы откоса бортов, либо контролировать процессы деформирования и поддерживать крутые борта. В результате предпочтение было отдано последнему.
При таком подходе формирование бортов карьера первоочередной задачей становится оценка их состояния с точки зрения устойчивости. На самом глубоком в России карьере «Удачный» (Якутия) летом 2006 г. произошло обрушение крупного блока. Кроме того, в его бортах были выявлены крупные заколы, которые в дальнейшем также могли представлять опасность как готовые к обрушению, особенно при проведении технологических взрывов и выемке рудных масс. Для обеспечения безопасности ведения горных работ необходимы были организация наблюдений за обва-
лоопасными участками бортовых откосов карьеров, а следовательно, разработка соответствующей измерительной аппаратуры и создание на ее основе инструментальных наблюдений. При этом аппаратура должна была обеспечивать проведение измерений в очень «жестких» климатических условиях Крайнего Севера и Восточной Сибири.
Использование высокоточных измерительных комплексов позволяет, опираясь на получаемые результаты инструментальных наблюдений за «активными» трещинами, распознавать участки подготовки обвалов еще на ранней стадии их развития и заблаговременно вырабатывать соответствующие профилактические мероприятия. Проблема контроля состояния устойчивости бортовых откосов в данном случае усугубляется также тем, что алмазоносные трубки приурочены к зонам тектонических разломов. В частности, трубка «Нюрбинская» [17] расположена в узле пересечения квазиперпендикулярных тектонических разломов, равно как и трубки «Комсомольская» 26 и «Зарница» [18].
В данном разделе статьи в качестве примера представим результаты исследований, относящихся к кимберлитовой трубке «Зарница», по результатам которых было принято практически важное решение — о разносе бортов карьера.
В данном случае использовался ранее накопленный опыт по созданию в ИГД СО РАН системы мониторинга геомеханического состояния бортовых откосов «Карьер» [19—22] на кимберлитовой трубке «Удачная» (Якутия). Ее структура с примером натурных записей изменения ширины одной из проблемных трещин, индуцированных технологическими взрывами на дне отрабатываемого карьера, приведена на рис. 4. Здесь же дано подробное описание эксплуатации данной мониторинговой системы в натурных условиях алмазоносного карьера.
Здесь лишь отметим, что входящий в состав системы «Карьер» измерительно-вычислительный комплекс со специально созданными деформационно-волновыми датчиками и радиоканалом дистанционной передачи информации в Центр сбора (ЦСИ) позволяет решать задачи по оценке устойчивости прибортовых зон глубоких карьеров в экстремальных природно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. В настоящее время система в составе двух измерительно-вычислительных комплексов проходит опытную эксплуатацию в режиме мониторинга на трубке «Удачная» (Якутия).
Применительно к алмазоносной кимберлитовой трубке «Зарница», естественно, следовало учитывать как горногеологические, так и горнотехнические условия ее отработки, что потребовало и определенных усовершенствований по адаптации мониторинговой системы «Карьер» применительно к этим условиям. При этом учитывалось, что в тектоническом отношении карьер трубки «Зарница» характеризуется блоковым строением массивов горных пород и расположен в месте пересечения развитых квазиперпендикулярных глубинных тектонических разломов: северо-восточного и северо-западного широтного простирания. Ширина зоны разломов может достигать величин порядка десяти и более метров. В настоящее время глубина отработки карьера достигла ~200 м.
Для исследования геодинамического состояния такого сложно построенного массива горных пород с точки зрения перемещений краевых блоков в зоне разломов, а также оценки устойчивости бортовых откосов выполняется мониторинг развития деформаций с использованием различного рода измерительных систем [19—23]. Для мониторинга геодинамического состояния массивов горных пород глубоких карьеров Якутии в Институте горного дела СО РАН получи-
в)
д)
трсшнна 1
е)
трещина 2,
Рис. 4. Система мониторинга геомеханического состояния бортовых откосов «Карьер» на глубоком карьере «Удачный»: карьер (а); датчики информации (б); контролируемый уступ карьера (в); схема ретрансляционной передачи информации по радиоканалу (г); схема экспериментов измерения динамического воздействия от технологических взрывов на дне карьера (д); фрагмент записи динамической реакции блочной среды по одному из датчиков деформаций, находящемуся в контролируемой трещине (е)
Fig. 4. Geomechanical monitoring system Karier for pitwalls in the deep Udachny open pit mine: (a) open pit mine; (b) sensors; (c) monitoring bench; (d) chart of relay communication and radio transmission of information; (e) experimental chart of measurement of dynamic effect produced by production explosions on open pit bottom; (f) record fragment of dynamic response of block medium by a strain sensor in a check fracture
Рис. 5. Общая функциональная схема геомеханической мониторинговой системы «Карьер» Fig. 5. Total function chart of geomechanical monitoring system Karier
ла дальнейшее усовершенствование по условиям эксплуатации многоканальная измерительная система под общим названием «Карьер».
Общая функциональная схема этой Системы приведена на рис. 5. Полный состав измерительно-вычислительной системы «Карьер» включает в себя три геомониторинговых комплекса: «Карьер-Щ», «Карьер-Т» и «Карьер-Л». Каждый из них представляет собой многоканальную измерительную систему с общими блоками (ретранслятор, устройство сбора и обработки данных). Эти комплексы значительно отличаются друг от друга в основном только типом используемых датчиков: щелевым, тросиковым и лазерным.
В комплексе «Карьер-Щ» используются датчики, где в качестве первичных преобразователей применяются тензорези-сторы. Датчики устанавливаются непосредственно в контролируемую трещину. Измерительная база без дополнительных удлиняющих элементов составляет от 3 до 12 см.
В комплексе «Карьер-Т» применяются датчики, построенные на основе цифровых потенциометров. Станция, построенная с использованием этого комплекса, требует физического соединения двух точек — в виде тросика либо стержня.
Комплекс «Карьер-Л» построен с использованием лазерного измерителя расстояний.
С помощью базовой системы «Карьер» в составе четырех измерительных комплексов — с лазерным датчиком (комплекс «Карьер-Л») и тросиковым («Карьер-Т») — проводились измерения в режиме мониторинга состояния берегов тектонического разлома северо-восточного направления в зимний 2016 г. и летний 2017 г. периоды времени на карьере трубки «Зарница».
Развертывание системы и проведение измерений в мониторинговом режиме отражено на плане карьера трубки «Зарница» (рис. 6), где приведены места установки датчиков и местоположение взрывных работ. Схема развернутой системы «Карьер» представлена на рис. 7.
Передача информации с измерительных датчиков (станций) Д1...Д4 осуществлялась в Пункт сбора и обработки (ПСО), размещенный в операторской карьера «Зарница». Установленные измерительные комплексы находятся вне прямой «радиовидимости» с Пунктом сбора и обработки данных, который установлен на поверхности карьера в операторской. Для организации связи на границе карьера устанавливается ретранслятор,
Рис. 6. План карьера трубки «Зарница», Якутия Fig. 6. Open pit mine layout at the Zarnitsa pipe in Yakutia
имеющий прямую видимость с Пунктом сбора и обработки данных и с измерительными датчиками. Связь «датчик — ретранслятор» и «ретранслятор — Пункт сбора и обработки данных» осуществляется по радиоканалу. Далее информация поступает по каналу передачи в г. Удач-
ный в Центр сбора информации, расположенный в Управлении горно-обогатительного комбината. Мониторинг проводился в два периода времени.
В период с 28.11.2016 по 28.12.2016 два датчика (Д1 и Д2) системы были установлены на берме гор. 380 северо-
Рис. 7. Схема развернутой геомониторинговой системы «Карьер» на кимберлитовом карьере «Зарница»: Д1... Д3 — измерительные датчики (станции); Р — ретранслятор; ПСО — пункт сбора и обработки натурных данных; ЦСИ — Центр сбора геомеханической информации Fig. 7. Circuit of deployed geomonitoring system Karier at the Zarnitsa open pit kimberlite mine: S1 ... S3—sensors (measuring station); R—relay station; DAPC—in-situ data acquisition and processing center; GICC—geomechanical information collection center
Рис. 8. Фотографии по месту установления датчиков Д1... Д3 деформационно-волнового контроля мониторинговой системы
Fig. 8. Photos of sensor sites S1... S3 within deformation-wave monitoring system
восточного борта карьера в крест разлома и один (Д3) — на противоположном борту карьера. На рис. 8 представлены фотографии установленных станций. На рис. 9 приведены результаты непрерывного мониторинга по датчикам Д1 и Д3, характеризующих реакцию контролируемых трещин на технологические взрывы в «маятниковом режиме».
В данный период времени взрывные работы проводились на дне карьера. Моменты взрывов на графике отмечены. Важно при этом отметить, что примерно через один час после проведения взрывов краевые блоки для контролируемого разлома в течение примерно трех суток раздвигаются, а затем сдвигаются, занимая близкое положение, фиксируемое
о 1 . I I I I I I I I I I I . I О I I . . I I I I . I I . I
26.11 6.12 16.12 26.12 26.11 6.12 16.12 26.12 Время D (день, месяц) Время D (день, месяц)
Рис. 9. Данные измерений смещения краевых блоков тектонического разлома в северо-восточном, Д1 (а), и юго-западном бортах карьера, Д3 (б), за период с 28.11.2016 по 28.12.2016 Fig. 9. Measurements of displacements at edge blocks of tectonic fault in the northeastern pitwall, S1 (a) and in the southwestern pitwall, S 3(b) between Nov 28 and Dec 28 in 2016
перед взрывами. Как видно из инструментальных записей, со стороны северовосточного борта карьера регистрируется изменение расстояний между берегами разлома с положительным трендом (рис. 9, а), а вот на противоположной стороне карьера (рис. 9, б) соответствующий тренд является отрицательным.
Результаты проведенных исследований (рис. 9) инициировали работы по разносу бортов карьера, и весной 2017 г. взрывные работы начали проводиться на поверхности северного борта карьера.
В период с 09.07.2017 по 27.07.2017 измерительные комплексы системы бы-
ли переустановлены на другие участки измерений, рис. 7, 8. Датчик 1 был установлен на южную границу тектонического разлома, а лазерный датчик — на противоположную сторону карьера в районе смотровой площадки.
Результаты геомеханического мониторинга приведены на рис. 10. Из приведенных графиков также четко выделяется «осциллирующий режим» относительных движений геоблоков, разделяемых контролируемым тектоническим разломом в очень низкочастотном волновом спектре, характерном для низкоскоростной группы волн маятникового типа для
8.7 12.7 16.7 20.7 24.7 28.7 9.7 14.7 19.7 24.7 29.7
Время D, (день, месяц) Время D, (день, месяц)
Рис. 10. Данные измерений смещения краевых блоков тектонического разлома: датчик Д1 (а) и лазерный датчик (б), за период с 9.07.2017 по 27.07.2017
Fig. 10. Measurements of displacements at edge blocks of tectonic fault: sensor S1 (a) and laser sensor (b) between Jul 9 and Jul 27 in 2017
геоблоков — их вещественных носителей [3, 4].
Взрывные работы проводились в направлении с севера на северо-восток по часовой стрелке. Следует обратить внимание на то, что в летний период в данном регионе происходит интенсивное оттаивание верхних слоев дневной поверхности. Вследствие этого поверхностные блоки приобретают повышенную подвижность, а динамические (взрывные) воздействия на массив горных пород приводят к их большим относительным смещениям.
Так, взрыв 1 на рис. 10 — самый дальний от датчика Д1; он привел к тому, что краевые блоки разлома начали колебаться. Амплитуда колебаний составила 0,1 мм за период в 1 сутки. После второго взрыва, который произошел на 100 м ближе к разлому, «размах» колебаний краевых блоков значительно увеличился и составил 0,3 мм за период в 1 сутки. Третий взрыв был произведен еще на 100 м ближе к разлому и, соответственно, ближе к датчику Д1. «Размах» колебаний достиг величины 0,38 мм. Тренд изменения смещения сопряженных блоков положительный. Конечное увеличение размера трещины за период мониторинга составило 0,4 мм. При этом лазерный датчик на противоположной стороне карьера в период с 09.07.2017 по 14.07.2017 показал увеличение расстояния между берегами трещины разлома на +6 мм. С 15.07.2017 оно оставалось стабильным.
Таким образом, тестируемая мониторинговая система «Карьер» позволяет в динамическом режиме регистрировать смещения краевых блоков тектонических разломов на больших измерительных базах и при низких температурах на карьере кимберлитовой трубки «Зарница».
Инструментальные геомеханические измерения за период с 28.11.2016 по
28.12.2016 показали, что со стороны северо-восточного борта карьера ширина разлома увеличивалась, а на противоположном — уменьшалась. Разлом четко — в осциллирующем режиме — с определенным запаздыванием, характерным для скорости распространения маятниковых волн, реагирует на взрывные работы, проводимые на дне карьера. При этом ширина разлома увеличивается, а затем через 3—4 суток возвращается в «исходное» состояние перед взрывом. Взрывные работы в карьере приводят к низкочастотным колебаниям краевых блоков разлома в виде «физических маятников», а также к дальнейшему увеличению ширины раскрытия берегов тектонического разлома. Именно такая тенденция увеличения ширины трещины разлома и привела в результате к тому, что были инициированы работы по разносу бортов карьера «Зарница» в северном и южном направлениях.
О «модуляции» пакетами волн маятникового типа от землетрясений повышенной газодинамической активности угольных шахт Кузбасса
Приведенные в предыдущих разделах настоящей работы графики «осциллирующих движений» соответствующих по размерам геоблоков — носителей низкоскоростных групп волн маятникового типа от технологических взрывов разной мощности и удаления от их эпицентров на рудниках Норильска и Якутии — свидетельствуют также и о других очень важных обстоятельствах (в силу ограниченности объема статьи здесь не приводятся соответствующие данные обработки натурной информации):
• во-первых, адекватности «формульного конструктора» к описанию динами-ко-кинематических характеристик волн маятникового типа в напряженных геосредах блочно-иерархического строения,
проводимого нами во второй части настоящей статьи [2];
• во-вторых, наличии «модулирующих свойств» у пакетов маятниковых волн для интерферирующих с ними высокоскоростных сравнительно высокочастотных линейных продольных и поперечных волн [24, 25];
• в-третьих, адекватном описании кинематическим выражением волн маятникового типа из [2, 3] структуры их натурных записей в зависимости от расстояния и мощности производимых взрывов (по временам «запаздывания» и характеру затухания).
В данном, заключительном, разделе ограничимся иллюстрацией этих выде-
ленных позиций применительно к волнам маятникового типа, индуцируемых землетрясениями Кузбасса и существенно влияющих на повышенную газодинамическую активность угольных шахт. В недавно проведенных нами специальных исследованиях и отраженных в работе [26] впервые экспериментально доказано, что возникающие от землетрясений низкоскоростные («квазиметрового» диапазона) группы волн маятникового типа (в данном случае 0,11+5,5 м/с) способны индуцировать повышенную газообильность в угольных шахтах. Были рассмотрены газодинамические проявления в угольных шахтах Алардинская и Осинниковская, индуцированные двумя
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 О
мосле землетрясения _ ■==i—
=L= == — —
A -ft-
1
^ 00 r-Nl ID
ID
■t N ffi ID 1С ID
О Ю N ID
P. CS r! C!
N if ¿> ¿i r-i
О "i M IM ID
о in н m
б N ^ N
tD ID ID Ю ID
О
oi N
to N ID
г! <*! id oi
*Ч тЧ тЧ N
О
if 6S N
w w w ID ID Ш ID <D H
- - - -....._____.....о о о о о
N N N N {S
N NN N
CO 00 CO 00
о о о о
NN NN N
i *—J *—J oS oS oS cri oS *—! i *—! —i *—! oooooooooooooooCTiaiCTiaiCTi ooooo ooooo
^ 00 N
N if H
if id ai
<ч <ч <ч
ID ID ID
N
ooooo
-начало и окончание повышенного газовыделения
тН О О О О <н гЧ tH »н
Дата, время, ч
-начало и окончание повышенного газовыделения
Дата, время, ч
Рис. 11. Метановыделение по датчикам метана, «Шахта Алардинская»: демонтажная камера 6—1—11, куток (а); фланговый конвейерный бремсберг пл.6 (со сб.3 «фланг»), исходящий поток (б) Fig. 11. Methane emission by methane sensors in the Alarda Mine: (a) disassembling room 6-1-11, stable; (b) end conveyor crossentry, seam 6 (with cut-through 3), return air
1 X о CD СО >
2 О > о Е 5 Ш CD CD
0 > > > Е о"
§ х
05 х Е
1 s i ï I I
ZI TD О
О 23 >
О CD
? ?
тз
CD
0 -С CD —I
1 сг
CD
H
> сг
I X
CD О)
S3 i
о
о\
О)
° 'S > о
X со ш И
X
тз
О)
63 о\ S Q
н^ о\ X i
l-i CD
CD CD X
^ I
5 О
cd Q
О
о
X
x x
X
о
CD
О ^
CD
CD
о 2 3 I
CD
CD CD
^ a>
X X
I CD
CD TD
X CD
° 5
1|
0 X 23 '
=1 s
-O Q)
1 i
is 5 i,
- O)
TD M
CD "О СГ
ra
S CD
¥ 3
® Ci) i
CD X
s< -E
о CD
M
О
О "О
CD
ГО
TT-О
оо о
00 CD
1 £ 3 1
ш g
® I % ^
CD о X ш X CD X
S ° cu ш
X Ю
5 ¡о
J 00 ^ ^
О ZI
Х( о
00 s о£
5х о
X [О
to 00
* Í1 Q) S
> CD
Q) 3 X X
■a 4
23 CD
—■ w
=1 CD
CD T3
■a cd
CD Z]
о S
CD 2
CD CD
s ^
* s
si
г- СГ
00 X
PS
о 5
N> I 00 -] -vl
- ■ X I— >
CD
to I
Q) о
7:3 23 " ш
CD 0\ -P* CD
ZI -a
о CD
> -i
сг X
to о °
CD
CD ^
> "a
О CD СГ §
> 2 > X<
=° X
'S s E î
I*
11 CD X ^ X
О CD
S
X ?
О
о > _
cd -a
о
* СГ
w о ^
CD -H О
S X
T 03 H
i о о
s s §
о CD _
î s
i го
о о > >
сг сг ¡¡
CD CD
= E
о CD X
о
X
о ш сг
< >
6 ^ -р
S °
о > ¿
0\ сг ■
О I -г
^ сг ^Г
^ CD о
CD
s =5 to zí
Q cd
CD 2
S о
CD "Ö ig > CD —1 X X
■a о ш CD X X
о
21 CD
о
0
1
о
ш ^
X ш
3 g -1 3.
CD
to О
§1 О
S 55
Ol CD JZ о - —I
ш
CD
Х($ О
^ JZ 1
E X 5
X -О s > 2
ой S
2 i о
1 [Г ш
X 2
>
CD i =1
CD §
s °
F СО О
X g *
0 s
X > X
1 CD CD
93 §
CD 23 ®
о 2 "о
Ê S ®
О X X
> 03 CD 23
CD
ï Ш
O" S
— CD
i Ï
Q ^
CD Œ
О -r
O X
to X X
jz -a
X X
X< О -
3 i
U CD
Ш X
■a X
X ZI
Ш CD CD
> CD
CD
X ZI
CD TD
CD >
o\ S
> X
ш
^ X
X о
-s: ш
X и
0 X 0\ X
-I
Ä s
1 ° i ° m
Ш о
,—, >
Ю CD
S to
—- CD
î° E
CD X
CD —I
О >
g 31
tro,'
ш 3 и N>
1 §
ф
о
о ш
сл 3
сл ф
ф
3 ф
5 3
55'
NJ сл
00 о'
3
Сг
ф
с 3
3 ф
ш
ш
3
ф
сл
ф
3
сл
о
з'
ф
о
сл
з'
3 J
§
з'
ф
■5L
3
ш
3
ш
о
о
сл
сл
ф
3
ч
NJ
00
ш
о
ф
0 -О
1 p
Sc -
s fe 0\ "
Se
QÍ 3
I
1 § O 2
fb 3-
•O 5
Г fb 143 -, 00 3 GO °
^ £ 5 ь o
o
Se
Концентрация метана, об. % en
Концентрация метана, об. % m
i
S Ä
ш 1 §
§ CD
3
I ш
s
s §
аз Ê
s ,
Д'Е
о
0 S
1 I
s о
03
о Ä ш ai
С3\ ■О
CD §
0
о\
CD ■О
NJ 00 GO Ь
1
08.11.2016 21 08.11.2016 22 09.11.2016 0: 09.11.2016 1: 09.11.2016 2: 09.11.2016 3: 09.11.2016 4: 09.11.2016 6: 09.11.2016 7: 09.11.2016 8: 09.11.2016 9: 09.11.2016 10 09.11.2016 12 09.11.2016 13 09.11.2016 14 09.11.2016 15 09.11.2016 16 09.11.2016 18 09.11.2016 19 09.11.2016 20 09.11.2016 21 09.11.2016 22 10.11.2016 0: 10.11.2016 1: 10.11.2016 2 10.11.2016 3: 10.11.2016 4: 10.11.2016 6: 10.11.2016 7: 10.11.2016 8: 10.11.2016 9: 10.11.2016 10 10.11.2016 12 10.11.2016 13 10.11.2016 14
I1 s §
f и ф
J i и
■ II.. о a я
j'* > я я и
í
—
1
í
'il-
;
'À Л'
/
Jt,. ■
•i
J
f
I p
с.
f
f'
■
08.11.2016 21 08.11.2016 22 09.11.2016 0: 09.11.2016 1: 09.11.2016 2: 09.11.2016 3: 09.11.2016 4: 09.11.2016 6: 09.11.2016 7: 09.11.2016 8: 09.11.2016 9: 09.11.2016 10 09.11.2016 12 09.11.2016 13 09.11.2016 14 09.11.2016 15 09.11.2016 16 09.11.2016 18 09.11.2016 19 09.11.2016 20 09.11.2016 21 09.11.2016 22 10.11.2016 0: 10.11.2016 1: 10.11.2016 2: 10.11.2016 3: 10.11.2016 4: 10.11.2016 6: 10.11.2016 7: 10.11.2016 8: 10.11.2016 9: 10.11.2016 10 10.11.2016 12 10.11.2016 13 10.11.2016 14
Таблица 2
Примеры данных расчета скоростей маятниковых волн в пределах шахты Алардинская [26]
Example of calculated velocities of pendulum waves in the Alarda Mine [26]
№ датчика Месторасположение датчика AR, м AT(1), с и (1), м/с AT(2), с и (2), м/с Длительность зага-зования
М101-062 Фланговый конвейерный бремсберг, пласт 6 (со сб. 3 «фланг»), забой 8159 68 400 0,12 75 600 0,11 14 ч
М105-062 Фланговый конвейерный бремсберг, пласт 6 (со сб. 3 «фланг»), исходящий поток 8159 50 400 0,16 57 600 0,14 19 ч 12 мин
М105-015 Фланговый конвейерный бремсберг, пласт 6, исходящий поток 8020 33 780 0,24 40 980 0,20 23 ч
М245-008 Демонтажная камера 6-1-11, исходящий поток 10 925 21 600 0,51 28 800 0,38 25 ч
М243-008 Демонтажная камера 6-1-11, куток 10 925 25 200 0,43 32 400 0,34 24 ч
М101-053 Конвейерный штрек 6-1-20,забой 7807 21 600 0,36 14 400 0,54 17 ч 43 мин
М105-053 Конвейерный штрек 6-1-20, исходящий поток 7807 25 200 0,31 32 400 0,24 17 ч 43 мин
Здесь: ДЯ — расстояние от землетрясения до измерительного датчика, м; ДГ(1), ДГ(2) — время вступления маятниковых волн от 1 и 2 землетрясений, с; и^(1), и^(2) — скорость маятниковых волн для 1-го и 2-го землетрясений, м/с.
задач в геомеханико-геодинамических исследованиях. В данном случае речь идет о методологии комплексирования записей деформационно-волновых (описанными выше измерительно-вычислительными комплексами типа МОЭД-1п и «Карьер») и газодинамических (системами АГК) процессов, индуцируемых землетрясениями, горными ударами и взрывами.
Несмотря на кажущееся различие их физической природы, в работе [28] установлена между ними непосредственная связь в рамках теории волн маятникового типа. Это имеет большое практическое значение в данном случае.
Действительно, с учетом большого различия между скоростями распространения Р и Э-волн, а также волн маятникового типа (более трех порядков)
появляются качественно новые мето-долого-методические возможности для прогнозирования катастрофических событий на угольных шахтах Кузбасса, осуществления заблаговременного вывода горнорабочих из очистных забоев и уп-редительных мер изменения режима функционирования горнодобывающих предприятий.
Установленные закономерности позволяют особо отметить, что при отработке угольных месторождений углеметановые пласты генетически способны при определенных геомеханических и термофизических условиях сформировать газодинамический возмущающий импульс от внутренних напряжений, достаточный для развития процессов их саморазрушения с сопутствующими выбросами угля и газа [7, 10].
Обсуждение результатов
и выводы
В настоящей части статьи приведены данные о современных разработках по созданию инструментальных основ построения перспективных систем мониторингового контроля нелинейных деформационно-волновых процессов, индуцированных землетрясениями и технологическими взрывами (в ближней, переходной и дальней зонах), в подземных и наземных условиях ведения горных работ при отработке месторождений твердых полезных ископаемых Сибири со стратегически важными запасами минерального сырья (полиметаллы Норильского горнопромышленного комплекса, алмазосодержащие кимберлитовые руды Якутии). Эти данные ориентированы, в первую очередь, на развитие экспериметально-теоретических основ нелинейной геотомографии на волнах маятникового типа в ее «активном» варианте [1] для экспериментального определения динамико-кинематических (в том числе — спектральных) характеристик этой группы нелинейных упругих волн в реальных напряженных массивах горных пород с учетом размеров и физико-механических свойств их вещественных носителей — геоблоков соответствующего иерархического уровня [2], расстояния и энергии источников их излучения.
Анализ примеров инструментальных записей пакетов волн маятникового типа базовыми измерительно-вычислительными приборными комплексами (МОЭД-1п; «Карьер») для отмеченных целей показал не только их работоспособность в реальных инфраструктурных условиях горного производства (карьеры, подземные выработки), но и адаптивность к экстремальным природно-климатическим условиям Сибири (в том числе ее приполярных территорий).
Одним их важнейших следствий активно развиваемой ныне в России и Ки-
тае теории волн маятникового типа явилось открытие «поршневого» механизма взаимосвязи между низкоскоростными (менее 10 м/с) волнами маятникового типа и массо-газообменными процессами: способность упругими волновыми пакетами «модулировать» повышенную газообильность угольных шахт Кузбасса после произошедших землетрясений или достаточно мощных технологических взрывов [6, 28].
Эта способность маятниковых волн «модулировать» сейсмоэмиссионные, газодинамические и иные энерго-массооб-менные процессы в напряженных массивах горных пород от землетрясений, горных ударов, взрывов и иных механических источников теоретически описана в работе [28], что далее авторами будет существенно использоваться при описании основ «пассивной» геотомографии.
Таким образом, в данной части статьи не только продемонстрирована работоспособность и перспективность представленных здесь нового уровня измерительных комплексов для построения современных мониторинговых систем контроля нелинейных деформационно-волновых процессов, но и проиллюстрированы реальные записи упругих волновых пакетов маятниковых волн, индуцируемых технологическими взрывами на крупнейших объектах недропользования Сибири (Норильский, Якутский и Кузбасский горнопромышленные комплексы), в том числе детерминировано связанных с крупными газодинамическими событиями на угольных шахтах, зафиксированных действующими ныне на них системами автоматизированного газового контроля (АГК).
В работе принимали участие:
Усольцева Ольга Михайловна — канд. физ.-мат. наук, заведующий, ЦКП ГГГИ Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, e-mail: usoltseva57@mail.ru;
Мулев Сергей Николаевич — зам. директора по науке, АО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела» — Межотраслевой научный центр ВНИМИ.
Потапов Вадим Петрович — д-р техн. наук, профессор, директор, Кемеровский филиал Института вычислительных технологий СО РАН, e-mail: vadimptpv@ gmail.com.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Востриков В. И., Юшкин В. Ф., Киряева Т. А. Развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геотомографии. Часть I: Формулировка и обоснование задачи исследований // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 1. — С. 5—25. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-5-25.
2. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Востриков В. И., Юшкин В. Ф., Киряева Т. А. Развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геотомографии. Часть II: Динамико-кинема-тические характеристики волн маятникового типа в напряженных геосредах и сейсмоэмис-сионные процессы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 11. — С. 5—26. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-11-0-5-26.
3. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia // Journal of Mining Science. Part I. 2012. V. 48. № 2, p. 203—222; part II, 2013. V. 49. № 2, p. 175—209; part III, 2014. V. 50. № 4, p. 623—645; part IV, 2016. V. 52. № 1, p. 1—35.
4. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород / Под ред.
B.Л. Шкуратника. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. — 320 с.
5. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействия на объекты недропользования / Под ред. М.Д. Новопашина. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. — 449 с.
6. Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах / Под ред. Н.Н. Мельникова. — Новосибирск: Изд-во СО РАН. — т. 1. — 2018. — 549 с.; т. 2. — 2019. — 543 с.
7. Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов / Под ред. Н.Н. Мельникова. — Новосибирск: Изд-во СО РАН. — т. 1, 2009. — 304 с.; Т. 2, 2010. — 261 с.
8. Ковчавцев А. П. Тепловизор: лучше один раз увидеть // Наука из первых рук. — 2012. — № 5. — С. 34—43.
9. Шейнин В. Н. и др. Диагностика быстрых периодических измерений напряжений в горных породах по данным инфракрасной радиометрии // Физика Земли. — 2001. — № 4. —
C. 24—30.
10. Oparin V. N., Usoltseva O. M., Tsoi P.A., Semenov V. N. Evolution of stress-strain state in the structural heterogeneities geomaterials under uniaxial and biaxial loading // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2014;2:1039—1046, http://dx.doi.org/10.4236/jamp.2014.212118.
11. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа U // ДАН. — 1993. — т. 333. — № 4. — С. 515—521.
12. Опарин В. Н., Курленя М. В., Акинин А. А. и др. Патент РФ № 2097558. Способ контроля напряженно-деформированного состояния в блочных структурах геосферы, базовая опора, деформометр и регистратор. Опубл. БИ. 1997, № 33.
13. Курленя М. В., Опарин В. Н., Акинин А. А. и др. Многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа // ФТПРПИ. — 1997. — № 3. — С. 105—119.
14. Багаев С. Н., Орлов В.А., Фомин Ю. Н., Чеботаев В. П. Гетеродинные лазерные дефор-мографы для прецизионных геофизических измерений // Физика Земли. — 1992. — № 1. — С. 85—91.
15. Oparin V. N., Tanaino A.S. Canonical ranking of sizes of structural units in rocks classifications // Journal of Mining Science. 2009;45(6):551—562.
16. Барях А.А. Южноафриканское техническое сафари // Горное эхо. — 2006. — № 6. — С. 49—53.
17. Борняков С.А., Салко Д. В. Инструментальная система деформационного мониторинга и ее апробация в кимберлитовом карьере // ФТПРПИ. — 2016. — № 2. — С. 172—178.
18. Потехина И.А., Маковчук И. В., Гладков А. С. Разрывная тектоника месторождения трубки «Комсомольская» // Вестник Иркутского государственного университета. — 2008. — № 4 (36). — С. 25—31.
19. Востриков В. И., Ружич В. В., Федеряев О. В. Система мониторинга обвалоопасных участков бортов глубоких карьеров // ФТПРПИ. — 2009. — № 6. — С. 118—127.
20. Vostrikov V.I., Oparin V.N. Multichannal Instrumentation System for Strain and Displacement Measurements / Proceeding of the 2009 International Symposium on Mechatronic and Biomedical Engineering and Applications, Taiwan, November 5, 2009, pp. 13—17.
21. Востриков В.И., Полотнянко Н.С. Многоканальная измерительная система «Карьер» для мониторинга бортов глубоких карьеров // ФТПРПИ. — 2014. — № 6. — С. 224—229.
22. Oparin V. N., Vostrikov V. I., Polotnyanko N.S., Trofimov A.S., Potaka A. A. Karier measurement system. Monitoring of geodynamic behavior of deep open pit mine rock mass / EUROCK 2018: Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses. Vol. 2. 2018 Taylor & Francis Group, London, UK, pp. 1477—1482.
23. Димаки А. В., Псахье С. Г. Распределенная измерительная система для мониторинга смещений по границам раздела блочных сред на базе комплекса «Сдвиг 4МР» // ФТПРПИ. — 2009. — № 2. — С. 110—117.
24. Hanssen R. F. Radar interferometry: Data interpretation and error analysis, Kluwer Academic Publisch, Dordrecht, 2001. 328 p.
25. Wang K., Dou L., Pan Y., Oparin V. N. Study on recognition of pendulum-type wave propagation in block rock mass // Journal of Advanced Oxidation Technologies. 2018;21(2):95—110.
26. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Киряева Т. А., Потапов В. П., Черепов А. А., Тюхрин В. Г., Глумов А. В. О влиянии волн маятникового типа от землетрясений на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса // ФТПРПИ. — 2018. — № 1. — С. 3—15.
27. Еманов А. А., Еманов А. Ф., Фатеев А. В., Лескова Е. В. Техногенная сейсмическая активизация на юге Кузбасса (п. Малиновка) / Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. Международная научная конференция «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геология»: Сборник материалов, т. 3. — Новосибирск: СГУГиГ, 2017. — С. 66—71.
28. Опарин В. Н. К теоретическим основам описания взаимодействия геомеханических и физико-химических процессов в угольных пластах // ФТПРПИ. — 2017. — № 6. — С. 3—19. it7^
REFERENCES
1. Oparin V. N., Adushkin V. V., Vostrikov V. I., Yushkin V. F., Kiryaeva T. A. Experimental and theoretical framework of nonlinear geotomography. Part I: Research problem statement and justification MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(1):5-25. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-201901-0-5-25.
2. Oparin V. N., Adushkin V. V., Vostrikov V. I., Yushkin V. F., Kiryaeva T. A. Experimental and theoretical framework of nonlinear geotomography. Part II: Dynamic and kinematic characteristics of pendulum waves in high-stress geomedia and processes of seismic emission. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(11):5-26. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-11-0-5-26.
3. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Journal of Mining Science. Part I. 2012. Vol. 48, no 2, pp. 203—222; part II, 2013. Vol. 49, no 2, pp. 175—209; part III, 2014. Vol. 50, no 4, pp. 623— 645; part IV, 2016. Vol. 52, no 1, pp. 1—35.
4. Metody i izmeritel'nye pribory dlya modelirovaniya i naturnykh issledovaniy nelineynykh deformatsionno-volnovykh protsessov vblochnykh massivakh gornykh porod. Pod red. V. L. Shku-ratnika [Methods and instruments for modeling and in-situ investigation of nonlinear deformation-wave processes in block rock mass. Shkuratnik V. L. (Ed.)], Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 2007, 320 p.
5. Sovremennaya geodinamika massiva gornykh porod verkhney chasti litosfery: istoki, para-metry, vozdeystviya na ob"ekty nedropol'zovaniya. Pod red. M. D. Novopashina [Modern geody-namics in the top lithosphere: Sources, parameters, impact. Novopashin M. D. (Ed.)], Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 2008, 449 p.
6. Geomekhanicheskie polya i protsessy: eksperimental'no-analiticheskie issledovaniya formirovaniya i razvitiya ochagovykh zon katastroficheskikh sobytiy v gornotekhnicheskikh i pri-rodnykh sistemakh. Pod red. N. N. Mel'nikova [Geomechanical fields and processes: Experimental research and analysis of initiation and growth of disastrous event sources in natural and geotechnical systems. Mel'nikov N. N. (Ed.)], Novosibirsk, Izd-vo SO RAN. vol. 1. 2018, 549 p.; vol. 2. 2019, 543 p.
7. Metody i sistemy seysmodeformatsionnogo monitoringa tekhnogennykh zemletryaseniy i gornykh udarov. Pod red. N. N. Mel'nikova [Methods and systems of seismic deformation monitoring of induced earthquakes and rock bursts. Mel'nikov N. N. (Ed.)], Novosibirsk, Izd-vo SO RAN. vol. 1, 2009, 304 p.; vol. 2, 2010, 261 p.
8. Kovchavtsev A. P. Thermal imager: Seeing is believing. Nauka iz pervykh ruk. 2012, no 5, pp. 34-43. [In Russ].
9. Sheynin V. N. Diagnostic of rapid periodic stress measurements in rocks by IR radiometry data. Fizika Zemli. 2001, no 4, pp. 24-30. [In Russ].
10. Oparin V. N., Usoltseva O. M., Tsoi P. A., Semenov V. N. Evolution of stress-strain state in the structural heterogeneities geomaterials under uniaxial and biaxial loading. Journal of Applied Mathematics and Physics. 2014;2:1039-1046, http://dx.doi.org/10.4236/jamp.2014.212118.
11. Kurlenya M. V., Oparin V. N., Vostrikov V. I. Generation of elastic wave packets under pulsed excitation of block medium. Pendulum waves U . Doklady Akademii nauk. 1993. vol. 333, no 4, pp. 515-521. [In Russ].
12. Oparin V. N., Kurlenya M. V., Akinin A. A. Patent RU 2097558. 1997.
13. Kurlenya M. V., Oparin V. N., Akinin A. A.Multichannel longitudinal optoelectronic defor-mometer. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1997, no 3, pp. 105-119. [In Russ].
14. Bagaev S. N., Orlov V. A., Fomin Yu. N., Chebotaev V. P. Heterodyne laser deformographs for precision geophysical measurements. Fizika Zemli. 1992, no 1, pp. 85-91. [In Russ].
15. Oparin V. N., Tanaino A. S. Canonical ranking of sizes of structural units in rocks classifications. Journal of Mining Science. 2009;45(6):551-562.
16. Baryakh A. A. South African technological safari. Gornoe ekho. 2006, no 6, pp. 49-53. [In Russ].
17. Bornyakov S. A., Salko D. V. Deformation monitoring instrumentation and trials in open pit kimberlite mine. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2016, no 2, pp. 172-178. [In Russ].
18. Potekhina I. A., Makovchuk I. V., Gladkov A. S. PExtensional tectonics in the Komsomolskaya Pipe. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. 2008, no 4 (36), pp. 25-31. [In Russ].
19. Vostrikov V. I., Ruzhich V. V., Federyaev O. V. Monitoring system for fall-hazardous deep open pit walls. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2009, no 6, pp. 118-127. [In Russ].
20. Vostrikov V. I., Oparin V. N. Multichannal Instrumentation System for Strain and Displacement Measurements. Proceeding of the 2009 International Symposium on Mechatronic and Biomedical Engineering and Applications, Taiwan, November 5, 2009, pp. 13-17.
21. Vostrikov V. I., Polotnyanko N. S. Multichannel measuring system Karier for deep open pit wall monitoring. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2014, no 6, pp. 224-229. [In Russ].
22. Oparin V. N., Vostrikov V. I., Polotnyanko N. S., Trofimov A. S., Potaka A. A. Karier measurement system. Monitoring of geodynamic behavior of deep open pit mine rock mass. EUROCK 2018: Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses. Vol. 2. 2018 Taylor & Francis Group, London, UK, pp. 1477-1482.
23. Dimaki A. V., Psakh'e S. G. Distributed measuring system for monitoring displacements at interfaces in block media based on Sdvig-4MR system. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2009, no 2, pp. 110-117. [In Russ].
24. Hanssen R. F. Radar interferometry: Data interpretation and error analysis, Kluwer Academic Publisch, Dordrecht, 2001. 328 p.
25. Wang K., Dou L., Pan Y., Oparin V. N. Study on recognition of pendulum-type wave propagation in block rock mass. Journal of Advanced Oxidation Technologies. 2018; 21(2):95—110.
26. Oparin V. N., Adushkin V. V., Kiryaeva T. A., Potapov V. P., Cherepov A. A., Tyukhrin V. G., Glu-mov A. V. Effect of earthquake-induced pendulum waves on gas-dynamic activity in coal mines in Kuzbass. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2018, no 1, pp. 3—15. [In Russ].
27. Emanov A. A., Emanov A. F., Fateev A. V., Leskova E. V. Induced seismicity activation in the south of Kuzbass (Malinovka settlement). Interekspo GEO-Sibir'-2017. Mezhdunarodnaya nauch-naya konferentsiya «Nedropol'zovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh. Ekonomika. Geologiya»: Collection of materials, vol. 3. Novosibirsk, SGUGiG, 2017, pp. 66—71. [In Russ].
28. Oparin V. N. Theoretical framework for description of interaction between geomechani-cal and physicochemical processes in coal seams. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2017, no 6, pp. 3—19. [In Russ].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Опарин Виктор Николаевич1 — член-корреспондент РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий отделом, e-mail: oparin@misd.ru,
Адушкин Виталий Васильевич1 — академик РАН, советник РАН,
д-р физ.-мат. наук, e-mail: adushkin@idg.chph.ras.ru,
Институт динамики геосфер РАН,
Востриков Владимир Иванович1 — канд. техн. наук,
зав. лабораторией, e-mail: vvi49@mail.ru,
Юшкин Владимир Федорович1 — д-р техн. наук,
ведущий научный сотрудник, e-mail: L14@ngs.ru,
Киряева Татьяна Анатольевна1 — канд. техн. наук,
старший научный сотрудник, e-mail: coalmetan@mail.ru,
1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН.
Для контактов: Опарин В.Н., e-mail: oparin@misd.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.N. Oparin1, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Phys. Mathem.), Professor, Head of Department, e-mail: oparin@misd.ru,
V.V. Adushkin1, Аcademician of Russian Academy of Sciences, Advisor of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Phys. Mathem.), Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia, e-mail: adushkin@idg.chph.ras.ru, V.I. Vostrikov1, Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, e-mail: vvi49@mail.ru,
V.F. Yushkin1, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, e-mail: L14@ngs.ru,
T.A. Kiryaeva1, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher,
e-mail: coalmetan@mail.ru,
1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch
of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.
Corresponding author: V.N. Oparin, e-mail: oparin@misd.ru.
_
