Результаты геоакустического контроля удароопасности на рудниках Дальнего Востока Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------- © И.Ю. Рассказов, П. А. Аникин,

Д.С. Мигунов, А.Ю. Искра,

2008

УДК 622.831.32

И.Ю. Рассказов, П.А. Аникин, Д.С. Мигунов,

А.Ю. Искра

РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ УДАРООПАСНОСТИНА РУДНИКАХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Приведены некоторые результаты применения геоакустического метода для контроля динамических проявлений горного давления на удароопасных месторождениях дальневосточного региона. Отмечены представляющие научный интерес закономерности формирования в разрабатываемом массиве горных пород акустических волновых полей. Предложен методический подход к оценке состояния горного массива по данным гео-акустического мониторинга.

Семинар № 2

Добыча руд цветных и драгоценных металлов подземным способом занимает значительное место в горной промышленности Российского Дальнего Востока. Здесь действует ряд крупных и средних рудников, ведущих горные работы в разнообразных, как правило, в сложных горногеологических условиях. В настоящее время геомеха-ническая обстановка на целом ряде рудников Дальнего Востока России предопределяется либо динамическими проявлениями горного давления, либо отнесением глубоких горизонтов месторождений к опасным или склонным к горным ударам. На некоторых из них наблюдается весь спектр динамических форм горного давления вплоть до сильных с тяжелыми последствиями горных и горно-тектонических ударов [1].

Для прогнозирования этих опасных динамических явлений необходимо применение эффективных методов оценки и контроля геомеханического состояния массива горных пород, к числу которых следует отнести микросейс-мический и геоакустический методы.

Последний, по сравнению с широко применяемым микросейсмическим методом, обладает более высокой «разрешающей способностью» и возможностью наблюдений за развитием процесса формирования очагов разрушения непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза динамических явлений.

На рудниках Дальнего Востока гео-акустический метод применяют более 20 лет. Вначале на двух удароопасных рудниках, отрабатывающих месторождения Николаевское и Южное, а несколько позже на Хинганском руднике были испытаны и приняты к промышленному использованию несколько комплектов сейсмоакустической аппаратуры «Гроза-16», представляющей собой мобильный, не требующий большого объема подготовительных и монтажных работ измерительный комплекс, позволяющий контролировать массив горных пород в приконтурных зонах горных выработок одного или нескольких очистных блоков. Недостаток таких систем заключа-

ется в слабых информативных возможностях, так как можно определять, по существу, только один параметр — интенсивность акустической эмиссии (число импульсов АЭ в единицу времени) в частотном диапазоне 0,6-10 кГц.

При оценке состояния горного массива аппаратурой «Гроза-16» рекомендованы [2] следующие эмпирические критерии удароопасности: продолжи-

тельность времени спада интенсивности АЭ после технологических (массовых) взрывов (более 1,5 и 3,0 часов, соответственно, для условий Николаевского и Южного месторождений), а также резкое возрастание интенсивности АЭ (более 90-120 импульсов за 15-минутный интервал) без видимого влияния технологических процессов. Использование указанных технических средств и методических подходов позволило в некоторых случаях прогнозировать удароопасную ситуацию на Николаевском и Южном месторождениях. Однако, в последующем (особенно в последние годы) на рудниках отмечено снижение эффективности прогноза динамических проявлений горного давления данной аппаратурой, а регистрируемая с ее помощью информация и установленные критерии не позволяют надежно контролировать состояние массива и прогнозировать происходящие динамические явления.

Анализ имеющихся данных показал, что в настоящее время на удароопасных месторождениях Дальнего Востока в результате значительного увеличения объемов горных работ складывается качественно новая геомеханическая ситуация, главной особенностью которой является активизация геодинамических процессов. Результатом такой активизации являются труднопрогнозируемые существующими техническими средствами (в частности, аппаратурой «Гроза») резкие подвижки структурных тектони-

ческих блоков массива, протекающие в форме толчкообразного деформирования массива. Для оценки состояния массива горных пород и выявления в нем геодинамически активных структур, к которым часто пространственно приурочены регистрируемые толчки и другие проявления горного давления, необходимо применение систем контроля, удовлетворяющих определенным техническим требованиям, в числе которых один из наиболее важных — возможность локации и определения энергии источников АЭ.

Выполнение этих требований при проводимых геомеханических исследованиях обеспечивалось на первоначальном этапе использованием измерительного комплекса на базе пятиканальной микросейсмической стан-ции «Прогноз-5АМ». В совокупности с дополнительно разработанными техническими и про-граммно-методичес-кими средствами

она представляет собой автоматизированную систему контроля горного давления (АСКГД), которая используется в экспериментальном порядке на рудниках Хинганском (с 1993 г.) и Николаевском (с 2004 г.). На руднике Глубокий ОАО «ППГХО» с 2006 г. эксплуатируется аппаратура нового поколения -многоканальная цифровая геоакустиче-ская система геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS» [3, 4].

На нижних горизонтах Николаевского, Хинганского и Глубокого рудников в районе отрабатываемых рудных зон была создана разветвленная сеть геофонов, охватывающая наиболее удароопасные участки рудничного поля площадью до 0,3 км2 (диаметр зоны контроля около 400-500 м). Питающие устройства и коммутационные элементы систем контроля размещались в подземных аппаратных, а основные блоки аппаратуры, включая центр управления системой на

Рис. 1. Зоны концентрации очагов микроразрушений участка массива горных пород Николаевского месторождения по данным локации источников акустической эмиссии (АЭ) в период с 01.01.05 г. по 31.09.05 г.: 1 — выработанное пространство; 2 — места динамических проявлений горного давления; изолинии отражают плотность пространственного распределения очагов АЭ

базе ПК, — в поверхностных комплексах рудников.

Режимные геоакустические наблюдения на рудниках с использованием систем контроля «Прогноз-5АМ» и «Prognoz-ADS» включали в себя:

- регистрацию количества естественных акустических импульсов, определение их параметров (координат и энергии) и формирование каталогов (баз данных) АЭ-событий;

- составление карт сейсмоакустиче-ской активности, совмещенных с планами горных работ (карты регионального прогноза удароопасности);

- определение зон, опасных по горным ударам.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что в различные периоды наблюдений в зонах контроля регистрировалось и проходило селекцию от 50-70 до 250-300 и более событий естественной АЭ в месяц. Установлено, что большая часть (около 70 % от общего числа) источников акустических сигналов лоцируется в районах интенсивного ведения горных работ. На отдельных участках очаги источников АЭ концентрируются, формируя так называемые акустически активные зоны, отражающие процесс перераспределения

77100 77200

Рис. 2. Распределение очагов акустических импульсов, зарегистрированных в феврале-июле 2007 г. в массиве горных пород месторождения «Антей» (в проекции на XI горизонт)

напряжений и деформаций в массиве под влиянием горных работ.

Иллюстрацией могут служить акустически активные зоны, сформированные на участке массива горных пород Николаевского рудника (рис. 1). В окруженном выработанными пространствами целике, в течение нескольких месяцев наблюдался рост интенсивности АЭ, завершающийся, как правило, динамическими проявлениями горного давления в форме толчков, после которых следовал спад акустической активности. Затем, спустя некоторое время, этот процесс повторялся. Через некоторое время расположенный в рассматриваемом участке массива транспортный ук-

лон «Доставочный» был выведен из эксплуатации в результате обширного разрушения пород кровли и бортов горной выработки.

Геоакустические наблюдения в условиях опасных по горным ударам месторождениях Дальневосточного региона дали возможность выявить представляющие научный интерес особенности формирования крупных долгоживущих акустически активных зон: приуроченность их преимущественно к контурам очистных выработок, к геологическим контактам разнопрочных пород, к активным тектоническим разломам. Процесс формирования и перемещения в пространстве таких зон наблюдался

20

& 15 с 1

2 О

00

10

кО"

-ъ°

чр

<*>•'

<&•'

г»'-

Время после ВР, мин

Рис. 3. Изменение интенсивности АЭ, зарегистрированной 22.02.2007 приемным преобразователем № 15 после взры1вныгх работ на 18 слое блока 6а-1110

также в массиве месторождения «Антей» (рис. 2). Результаты геоакустиче-ского контроля показали, что в период 2006-2007 гг. наиболее сложная геоме-ханическая ситуация на этом месторождении складывалась в районе блока 6а-1110, приуроченного к участку «пережима» рудоконтролирующего тектонического разлома 160, где ранее неоднократно отмечались динамические проявления горного давления.

Особенно высокая акустическая активность на этом участке наблюдалась после проведения взрывных работ. При этом длительность времени спада акустической активности составляла 1-2 часа, а сам этот процесс, как правило, носил волнообразный характер (рис. 3). Повышение акустической активности массива было зарегистрировано в ночную смену 21.11.2006 г. перед динамическим проявлением горного давления (в форме толчка), который произошел в 2 часа 25 минут в целике между 6 и 9 слоями блока 6а-1110 и сопровождался

сотрясением массива и вспучиванием на 0,3 м почвы 6 слоя.

На фоне мелких (менее 1 Дж) акустических импульсов за 1,5 часа до динамического проявления четко фиксировалось 2 серии АЭ-импуль-сов, следовавших через 10 минут одна от другой (рис. 4).

При примерно одинаковом количестве импульсов в сериях (21 и 20 импульсов соответственно) во второй серии наблюдалось значительное более чем в 3 раза увеличение энергии (рис. 5). Такой характер акустической активности указывает на начало процесса формирования очаговой зоны, в которой происходит слияние мелких дефектов в более крупные разрывы. Критическое накопление разрывных деформаций (трещин), привело через определенное время к разрушению участка массива в виде толчка.

Основываясь на возникшей из результатов шахтных наблюдений и измерений идее существования в разрабатываемом массиве горных пород изме-

5

0

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

▲

0 я. УП II. п

0:00 0:10 0:18 0:28 0:38 0:48 0:58 1:07 1:12 1:21 1:31 1:41 1:51 2:01 2:11 2:21

□ Число АЭ - импульсов, шт ■ Суммарная энергия, Дж

1

Рис. 4. Изменение акустической активности перед динамическим проявлением 21.11.2006 г. в блоке 6а-1110

няющихся в пространстве и во времени акустически активных зон, была поставлена и решена задача адаптации имеющихся методических разработок к специфическим условиям удароопасных месторождений Дальневосточного региона.

Разработанный и апробированный в условиях удароопасных рудников Дальнего Востока России вариант метода геоакустического мониторинга очагов микроразрушений заключается в идентификации и анализе динамики формирования акустически активных зон и в последующем прогнозировании ударо-опасности на основе уста-навливаемых закономерностей изме-нения геоакусти-ческой активности массива [1].

В основу метода положена трехстадийная модель разрушения горных пород, согласно которой в процессе мониторинга выделяют: А) фоновое (незакономерное) распределение источников АЭ; Б) участки более или менее равно-

мерной, но плотной и различающейся друг от друга акустической активности; В) сравнительно плоско-протяжённые зоны концентрации; Г) объёмные центрированные зоны [5, 6]. Фоновое излучение АЭ указывает на I (неопасную) стадию, на которой разрушение только начинается с появления точечных дефектов, не связанных в какие-либо структуры. На II (доменной) стадии начинается процесс укрупнения дефектов (кластеризации трещин), на что ют участки квазиравномерно плотного распределения источников АЭ. Этот цесс, при определенных условиях, может развиться и перейти на следующую дию, став необратимым. Выяв-ление чала этого перехода требует ного мониторинга зарож-дающихся стически активных зон и применения обоснованных критериев наступления III (удароопасной) пред-разрушающей стадии.

Рис. 5. Характер изменения акустической энергии АЭ импульсов в сериях, зарегистрированных в 1 час 10 минут (а) и 1 час 13 минут (б) перед толчком 21.11.2006 г.

в пределах акустически активной зоны, которая может служить критерием для оценки полноты разрушения [5]:

ЕАЭ = 0,05 V Хи

^ ц3 , Дж/м .

Е, Дж 9 8 7 6 5 4

3 2

1 0

8,7

6,5 6,5

5,8 I ■ 5,5 г 6 ,2

1 1 4,4

—

3 3

■ 1

0 0 0

где V — объем контролируемой зоны, м3; Ц3 — дила-тансионный объем трещин,

А

б

Состояние массива в пределах акустически активных зон отражает сравнительная характеристика совокупности прогностических признаков: концентрированность очагов и степень локализации источников АЭ, повторяемость периодов акустической активности и ее незатухающий характер, скорость и направление миграции очагов, близость очаговой зоны к обнажению и др., количественно-

качественные значения которых устанавливаются экспериментально для условий конкретного месторождения или его части [1].

Дополнительным критерием ударо-опасности может являться величина

гАЭ

удельной энергии Ец , выделившейся

пряжения в окрестности разрабатываемого участка массива горных пород, МПа.

При ЕСЭ ^ 0,7на-

ступает III (опасная) пред-разрушающая стадия, за которой следует лавинообразный неуправляемый процесс разрушения геоматериала. В результате предварительных оценок, получены следующие значения

ЯАЭ

У крцт для пород некоторых месторождений Дальневосточного региона: для геденбергитового скарна

ЕАЭ =14

V крит ’ ЕАЭрит = 1,08

кДж/м ; для известняка кДж/м3; для кварцевых порфиров

ЕАЭрит'=1,97 кДж/м3.

Результаты исследований и разработок дают основание считать оправданной концентрацию усилий на применении и дальнейшем развитии гео-акустического метода как одного из наиболее эффективных для науки и практики инструментов изучения и контроля геомеханического состояния массива горных пород. Геоакустиче-

а

м ; ьинт — касательные на-

ские наблюдения в условиях ряда действующих рудников Дальнего Востока, позволили выявить ряд важных особенностей формирования геоаку-стических волновых полей в разрабатываемых горных массивах, которые

1. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках.- Владивосток: Дальнаука, 2001.- 169 с.

2. Дорошенко В.И., Антипов А.В., Смирнов О.Ю. Сейсмоакустический мониторинг удароопасности при отработке рудных месторождений Приморья // Горная геофизика. Междунар. конф. 22-25 июня 1998 г., Санкт-Петербург.-СПб.: ВНИМИ, 1998.- С. 99-104.

3. Акустический измерительно-вычис-

лительный комплекс для геомеханического мониторинга массива пород при ведении горных работ / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика. Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС. 2005. С. 351-354.

дали возможность составить практически значимое представление об их геодинамическом состоянии и выделить потенциально удароопасные участки рудничного поля.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Особенности динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» / И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин, Г.П. Потапчук, Б.А. Просекин, О.А. Исьянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Дальний Восток. М.: МГГУ, 2007. № ОВ9. С. 234-240.

5. Рассказов И.Ю., Мирошников В.И. Прогнозирование опасных проявлений горного давления на основе трехстадийной модели разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. № 4. С. 234-240.

6. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Особенности сейсмоакустического контроля геомеха-нического состояния массива горных пород в геодинамически активных районах // Известия ВУЗов. Горный журнал. 2006. № 6. С. 22-28.

=1

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор,

Аникин П.А. - младший научный сотрудник,

Мигунов Д. С. - младший научный сотрудник,

Искра А.Ю. - старший научный сотрудник,

Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 4 мин.

Дата печати: 25.11.2008 23:38:00

При последней печати страниц: 8

слов: 2 379 (прибл.)

знаков: 13 566 (прибл.)

3_Рассказов2

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар-08 С:\и8ег8\Таня\АррВа1а\Коатіп§\Місго80й\Шаблоньі\Когта1.до УДК 622 ИГД ЛППРМ

03.09.2008 10:04:00 3

04.09.2008 13:29:00 Гитис Л.Х.