CC BY
26
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА :СИМПОЗИУМЕ : "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января: - 4 февраля :2000 : года :
$ А.А. Козырев, В.И. Панин,
И В.А. Мальцев, 2000
У УДК 551.2:53.087.4:622.364.1
У А.А. Козырев, В.И. Панин, .А. Мальцев
)) РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО
|| МОНИТОРИНГА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ II ПРИ РАЗРАБОТКЕ ХИБИНСКИХ АПАТИТОВЫХ || МЕСТОРОЖДЕНИЙ
О
дной из актуальных проблем при ведении крупномасштабных горных работ в высоконапряженных массивах скальных пород являются горнотектонические удары и техногенные землетрясения, влекущие за собой не только катастрофические техникоэкономические последствия, но и приводящие иногда к человеческим жертвам. Такие события происходят в Германии, США, ЮАР, Польше, Чехословакии. В России эта проблема остро стоит на СУБРе, в Таштаголе, Березниках, на Кольском полуострове при разработке Хибинских апатитовых месторождений.
Хибинский горнопромышленный комплекс образует в настоящее время природно-техническую систему (ПТС) «Хибины», в которую входят 2 подземных и 2 открытых рудника, 2 обогатительные фабрики с хвостохрани-лищами, ГРЭС с золоотвалами и прочая инфраструктура с вмещающей все это геологической средой Южной части Хибин и Предхибинья. ПТС «Хибины» является мощным субъектом антропогенного воздействия на окружающую среду, представляющая большие возможности для исследования широкого спектра экологических проблем. В данном случае речь идет об изменении геодинамического режима и сопутствующих этим изменениям горно-тектоничес-ких ударах и техногенной сейсмичности. Проблема эта не нова, она уже рассматривалась на 4 специальных международных симпозиумах, по этим вопросам име-
ется обширная отечественная и зарубежная литература, из анализа которой следует два основных постулата:
1. Не установлено существенных физических различий между динамическими явлениями в рудниках и естественными тектоническими землетрясениями. Поэтому для изучения их используются модели, методы и техника, заимствованные из сейсмологии.
2. В современной сейсмологии четко обозначился кризис, обусловленный нерешенностью главной ее задачи - прогноза землетрясений. Катастрофические землетрясения последних лет в Армении, Грузии, Греции, Китае, России, Тайване, Турции, Японии показали, что, несмотря на широкие и дорогостоящие исследования в этой области, их надежный временной прогноз в настоящее время невозможен. Разработанные на сегодня механические модели разрушения горных пород в прогнозе динамических явлений не работают.
Это побудило нас подойти к проблеме с позиций синергетики, с точки зрения которой рудник с вмещающим его участком геологической среды является открытой динамической нелинейной самоорганизующейся природно-технической системой (ПТС), эволюция которой осуществляется чередованием стадий адаптации и бифуркации.
На стадии адаптации за счет обмена с окружающей средой веществом и энергией (выемка и перемещение значительных объемов горной массы, деформирование подрабатываемых массивов, технологические
взрывы и пр.) система адаптируется к изменяющимся внутренним и внешним условиям. При достижении некоторыми параметрами системы предельных (критических) значений, система переходит в неустойчивое состояние и, при малейших флуктуациях, которых в массиве великое множество, она скачкообразно переходит в другое состояние с образованием новых структур и частичной диссипацией накопленной энергии, т.е. система испытывает бифуркацию. В высоконапряженных массивах скальных пород бифуркация может сопровождаться катастрофой типа горнотектонического удара или техногенного землетрясения. Кстати, в последние годы термин «бифуркация» стали чаще заменять термином «катастрофа», что в данном случае более соответствует физике процесса.
Поскольку адекватных моделей подготовки и реализации катастрофы в ПТС на сегодня неизвестно, целесообразно использовать общепринятый в подобных случаях прием - представить процесс подготовки и реализации катастрофы в ПТС в виде «черного ящика», систематизировав все многообразие действующих на его входе и выходе факторов (рис. 1).
Состояние ПТС характеризуется п-мерным вектором отклика на выходе системы. В качестве параметров или функций отклика на современном уровне развития методики и техники геомеханического эксперимента могут быть: динамика напряжений и деформаций в массиве пород; параметры упругих волн; параметры акустической и электромагнитной эмиссии; комбинации перечисленных параметров. Определение и изучение этих параметров составляет основной предмет мониторинга ПТС.
Вектор отклика является функцией входных параметров (факторов), которые можно разбить на три группы. Первую группу составляет вектор управляемых параметров Х, т.е. таких, которые можно измерять и целенаправленно изменять, поддерживая при этом некоторый заданный режим процесса. К таким параметрам относятся: ориентация и параметры фронта очистных работ; конструктивные параметры систем разработки; параметры буровзрывных работ; другие параметры технологических процес-
сов. Вторую группу образует вектор контролируемых, но неуправляемых
параметров: геологическое строение и тектоника месторождения; геодина-мическая обстановка (НДС, сейсмичность и пр.); физические свойства руд и вмещающих пород. Третью группу образует вектор неконтролируемых и неуправляемых параметров: случайные явления, влияю-щие на процесс. Это могут быть удаленные тектонические землетрясения, нерегулярные космические явления, заметно влияющие на земную атмосферу.
Необходимо отметить, что периферия этого «черного ящика» изучена к настоящему времени относительно неплохо, по всем этим вопросам имеются обширная литература. А адекватной модели механизма, процессов подготовки и реализации самого явления в настоящее время нет.
На основе общих законов эволюции сложных систем «мягкая» графическая модель развития катастрофы в ПТС выглядит следующим образом (рис. 2). На начальном этапе (Г1-Г2) эволюция ПТС идет в детерминированном режиме. Параметры этого режима определяются проектом предприятия и соответствующими расчетами по гео-
механическим моделям, адекватным конкретным горно-геологическим условиям. На участке t2-t3 идет нелинейное развитие системы, которое в точке КБ под влиянием случайных флуктуаций может завершиться бифуркацией в виде разрушения по одному из четырех типов: сдвиг по трещинам; разрушение барьерных зон; обрушение подработанной консоли пород висячего бока; комбинации первых трех.
Граница между первым и вторым участками, точка КН есть граница безопасности. В качестве критериев безопасности на этом участке могут быть либо величина деформаций, либо параметры сейсмоакустического режима, либо другие параметры геофизической среды. На участке t3-Ц идет лавинообразное развитие системы с активной диссипацией накопленной энергии и образованием новых структур. Затем при условии притока новой порции энергии цикл повторяется.
Примерно по такой модели идет развитие сейсмического процесса, описанного в работах М.А. Садовского, В.Ф. Писаренко и В.Н. Родионова. Эта модель характеризует процессы самоорганизации геологической среды, о непрерывности этих процессов свидетельствует известный закон повторяемости землетрясений Гутенберга-Рихтера.
Основные закономерности эволюции ПТС отражаются в динамике параметров отклика - геофизических
полей, которая подтверждает адекватность предложенной модели катастрофы в ПТС. Установить эти закономерности можно только на основе гео-динамического мониторинга геологической среды, организованного и функционирующего на апатитовых рудниках уже более 10 лет [1].
На рис. 3 показана динамика сейсмичности на Кировском руднике по данными системы автоматизированного контроля сейсмичности. В период 1991 - 1992 г.г. во время сближения очистных фронтов шло практически линейное нарастание сейсмичности вплоть до 1993 г. В 1993 г. во время подготовки к отбойке стыковочной секции блока-целика произошло резкое увеличение сейсмичности, именно в этот момент было наибольшее число горных ударов и имело место техногенное землетрясение. После отработки стыковочной секции геодинамическая ситуация улучшилась, сейсмичность стала спадать. Затем снова пошло нарастание -стала формироваться трещина отрыва в консоли висячего бока. Сейсмичность достигла максимума при сформировании этой трещины, и после обрушения консоли сейсмичность стала резко спадать.
Установлены предвестники критического состояния ПТС по изменению фрактального размера пространственного распределения сейсмических событий [2]. Изменение фрактального размера означает «стягивание» (локализацию) более мелких разрывов в узкой области и формирование более крупного разрыва и соответственно более мощного толчка.
Эволюционные процессы в ПТС отражаются и в параметрах деформирования горных пород в массиве, для изучения которых использовали геодезические измерения на нивелирных и светодальномерных полигонах. Но геодезические измерения являются дискретными, они не дают полной картины деформационных процессов во времени. Полную картину деформирования можно получить, используя для наблюдений высокоточные кварцевые деформометры, некоторые данные по которым приведены на рис. 4. Прослеживается довольно четкая зависимость между параметрами деформационного процесса и динамическими явлениями в руднике. Установлено, что вероятность мощных динамических событий возрастает по мере увеличения суточных скоростей деформирования массива [3].
Установленные закономерности эволюции ПТС при ведении горных
работ дают возможность определить структуру методики прогноза опасных состояний в ПТС (рис. 5).
На основе анализа геологии и тектоники района, численного моделирования и экспериментальных оценок напряженного состояния пород в массиве выделяются энергонасыщенные зоны, которые определяют границы области геодина-
Рис. 4. Совместные графики деформирования и сейсмичности массива пород в период 1991 -1997 гг.: 1 -деформации по направлению С - Ю 2 - количество сейсмособытий сутки
мического мониторинга, затем организуют мониторинг опасной зоны, который включает в себя в основном в настоящее время контроль деформаций и параметров геофизических полей.
Знания о закономерностях эволюции ПТС и параметрах ее критического состояния позволяют сделать оценку состояния ПТС и обосновать соответствующие управляющие решения. Конечная цель этих управляющих решений или обеспечить адаптационное функционирование ПТС, или контролируемый выход из критического состояния, что собственно и составляет основной принцип профилактики катастрофы в ПТС.
Таким образом, необходимым условием оптимального управления эволюцией ПТС является наличие геомониторинга. Учитывая особую важность Хибинских апатитовых месторождений для экономики России,
?ис. _ 3,:, Изменение параметров ис. 5. Общая схема методики просейсмичности при отработке гори-гноза мощныхтдинамических явЛе-зонта ^+252м Юфовского рудника
ОАО5 «Апатит»: 1 - длина трещин; 2 -
эпер1 ия
сложность и экологическую критичность Кировско-Апатитского промышленного района и для обеспечения его устойчивого развития Горным институтом КНЦ РАН совместно с ОАО «Апатит», «Агорохимбезо-пасностью», Комитетом природных ресурсов Мурманской области и другими научно-исследовательскими и производственными организациями разработана Программа сопряженного территориального мониторинга геологической среды Хибинских апатитовых месторождений на 1999-2004 годы. Отдельные фрагменты программы уже реализуются.
В настоящее время для пропрофилактики горных ударов на апатитовых рудниках активно используют управление упругими свойствами пород в окрестности горных выработок, т.е. камуфлетное взрывание и бурение разгрузочных скважин. Наиболее кардинальным профилактическим способом является создание в массиве разгрузочных зон за счет управления порядком отработки и изменением ориентировки активных фронтов горных работ, а также динамического воздействия на массив мощных массовых взрывов [4].
В заключение следует подчеркнуть, что надежность прогноза катастрофических явлений, чреватых не только большими материальными потерями, но и человеческими жертвами, должна быть близка к стопроцентной, что в ближайшем будущем вряд ли будет возможным. Поэтому основной целью дальнейших исследо-
ваний по этой проблеме должно быть продолжение изучения геомеханиче-ских условий эволюции ПТС при ведении горных работ в высоконапряженных массивах скальных пород для установления основных законов этой
эволюции, на основе которых будет возможным стратегическое и оперативное управление горными работами для обеспечения их максимальной безопасности и экономической эффективности. А главной
экспериментальной базой для такого изучения является геодинамиче-ский мониторинг геологической среды разрабатываемых месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Панин В.И. Геодинамический полигон при крупномасштабных горных работах для прогноза и профилактики техногенных землетрясений и горно-тектонических ударов // Горный вестник. - 1995. - №4. - С. 6-11.
2. Параметры сейсмического процесса как предвестники техногенных катастроф / А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев, М.В. Аккуратов // Горная геофизика. Международная конференция. 22-25 июня 1998 г., С-Петербург, Россия. - СПб.: ВНИМИ, 1998. - С. 438-443.
3. Экспериментальные исследования закономерностей деформирования массива горных пород / А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1996. - № 1. - С. 22-31.
4. Опыт профилактики горных ударов на Хибинских апатитовых рудниках / А.А. Козырев, В.А. Мальцев, В.И. Панин, В.В. Рыбин // Горный журнал - 1998. - № 4. - С. 47-51.
Козырев Анатолий Александрович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН.
Панин Виктор Иванович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН.
Мальцев Виктор Анатольевич — кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.
................................................................
