CC BY
27
УДК 550.834
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-167-175
СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ И СЕЙСМИЧНОСТЬ КУЗБАССА
Александр Федорович Еманов
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, доктор технических наук, директор, тел. (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Алексей Александрович Еманов
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, кандидат геолого-минералогических наук, заместитель директора по науке; Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел. (383)330-52-66, e-mail: alex@gs.nsc.ru
Александр Владимирович Фатеев
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник; Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, ведущий инженер, тел. (383)330-52-66, e-mail: fateev@gs.sbras.ru
Елена Викторовна Шевкунова
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)333-16-37, e-mail: elenash@gs.sbras.ru
Ульяна Юрьевна Ворона
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (913)737-80-17, e-mail: u.y.vorona@gmail.com
Николай Александрович Серёжников
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (903)930-13-53, e-mail: bestyah21@mail.ru
По данным сети сейсмологических станций изучен сейсмический эффект короткоза-медленных взрывов на угольных разрезах Кузбасса и наведенная сейсмичность в этом же районе. Разрезы с наиболее сильными по магнитуде промышленными взрывами не являются разрезами с наиболее сильной наведенной сейсмичностью. Природа возникновения наведенной сейсмичности может быть связана с техногенным изменением рельефа местности.
Ключевые слова: наведенная сейсмичность, промышленные взрывы, сейсмический эффект, Кузбасс, короткозамедленное взрывание.
SEISMIC EFFECT OF INDUSTRIAL EXPLOSIONS AND SEISMICITY OF KUZBASS
Alexander F. Emanov
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Director; phone: (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Aleksey A. Emanov
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Deputy Director for Research; Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Senior Researcher, phone: (383)330-52-66, e-mail: alex@gs.nsc.ru
Alexander V. Fateev
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Senior Researcher; Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Leading Engineer, phone: (383)330-52-66, e-mail: fateev@gs.sbras.ru
Elena V. Shevkunova
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)333-16-37, e-mail: elenash@gs.sbras.ru
Uliana Y. Vorona
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect
Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (913)737-80-17, e-mail: u.y.vorona@gmail.com
Nikolay A. Serezhnikov
Altay-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (903)930-13-53, e-mail: bestyah21@mail.ru
According to the network of seismological stations, the seismic effect of short-delayed explosions on coal quarries of Kuzbass and induced seismicity in the same region was studied. The quarries with the strongest magnitude industrial explosions are not the quarries with the strongest induced seismicity. The nature of the onset of induced seismicity can be associated with a technogenic change in the terrain.
Key words: induced seismicity, industrial explosions, seismic effect, Kuzbass, short-delayed blasting.
Кузбасс является регионом, где промышленные взрывы, техногенная сейсмичность и природные землетрясения присутствуют на одной и той же территории. Вопрос о сейсмическом эффекте промышленных взрывов и о влиянии этого воздействия на среду Кузбасса является обсуждаемым [Адушкин, 2015; Брыксин и др., 2012; Еманов и др., 2008]. Оказывают ли сейсмические волны от промышленных взрывов воздействие на среду достаточное для ее сейсмической активизации? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Количе-
ство взрывчатки имеет косвенную связь не только с возбуждением сейсмических колебаний, но и с объемом добычи угля на разрезах. Последний фактор связан с изменением рельефа местности. Собственно разрезы можно рассматривать как глубокие впадины, а отвалы - куда ссыпается около половины извлеченной горной породы - как искусственные горы. Изменение нагрузки на земную кору может быть причиной возникновения техногенных землетрясений около разрезов.
В Кузбассе сеть сейсмологических станций значительно более плотная, чем в соседних регионах [Еманов и др., 2015]. Сеть станций в данном районе регистрирует природные землетрясения, наведенную сейсмичность и промышленные взрывы. Сейсмический эффект промышленных взрывов в значительной степени снижен за счет короткозамедленного взрывания [Друкованный, 1973] повсеместно используемого при добыче угля в Кузбассе. Согласно имеющимся представлениям о короткозамедленном взрывании идеализированную модель излучаемого сейсмического импульса можно представить в виде [Еманов, 1980]
n -1
f 3(t) = f 0(t) XS(t - kT), (1)
k=1
где f 0 (t ) - форма сигнала, излучаемого мгновенным взрывом; f 3 (t ) - форма
сигнала излучаемая короткозамедленным взрывом. Операция свертки обозначена звездочкой, Т-интервал замедления.
Так как при короткозамедленном взрывании применяют схемы инициирования не только с равными по величине зарядами, но и с различными, реальный импульс будет отличаться от имеющейся модели.
Дополним уже сделанное предположение двумя другими: считаем источник точечным; полагаем, что каждый взрыв ступени возбуждает сигнал одинаковой формы,Принятые допущения позволяют построить модель импульса, излучаемого короткозамедленным взрывом:
п—1 п -1
f 3(t ) = X akf o(t - tk ) = f o(t ) X ak s(t - tk ), (2)
k=0 k=1
где ak - коэффициенты, характеризующие интенсивность взрывов ступеней, а tk - времена инициирования ступеней. Если принять, что взрывы ступеней выполняются через равные интервалы с некоторой ошибкой, то
n—1
f 3(t ) = f o(t ) X akS( t - kT -Tk ). (3)
k=1
Приняв, что все ak = 1, оценим, какое влияние на интересующий нас импульс оказывают неточности срабатывания замедляющих устройств. Для этого
сравним спектральные характеристики короткозамедленного взрывания при учете неточностей срабатывания замедлителей и без учета:
п-1 п-1
ВХ (ю) = X е -]юкТ ■ е-]юХк; В(ю) = X е
к=0 к=0
Так как Вх (ю) - является случайной функцией, осуществим осреднение по множеству реализаций. Математическое ожидание спектральной характеристики короткозамедленного взрывания равно [Еманов, 1980]
М[ВТ(ю)] = £ е-]юкТш[е~^Хк ) = Х(ю) ■ £ е-]юкт = х(ю)В(ю),
к=0 к=0
где х(ю) = М(е~] юТк) - характеристическая функция распределения случайной величины Хк. Действие ошибок в срабатывании замедлителей на спектральную характеристику короткозамедленного взрывания в среднем подобно действию линейного фильтра, частотной характеристикой которого является характеристическая функция распределения ошибки срабатывания замедляющего устройства.
Если принять, что случайная величина Хк распределена нормально
2 2 сХю
с дисперсией ат , то х(ю) = е 2 .
Неточность срабатывания большинства промышленных замедлителей составляет ±7 мс. При такой неточности х(ю) в диапазоне частот 1-15 Гц близка к единице.
Отклонения спектральной характеристики от среднего при каждом конкретном эксперименте характеризуются дисперсией ВВХ (ю) = п(1 -|х(ю)| ) [Еманов, 1980]. Значения спектральной характеристики КЗВ (короткозамедлен-
ное взрывание) определяются выражением Л(со) = х(оо)5(со) ± 3^г(1-|х(оо)|2).
Дисперсия характеристики растет с частотой. Фактически короткозамедленное взрывание рассчитывается так, чтобы спектр возбуждаемых колебаний оказывался в полосе гашения, а ошибки в замедлении сказываются только на высокочастотных составляющих возбуждаемых взрывом колебаний.
В работе [Еманов, 1980] показано, что осредненная по множеству реализаций спектральная характеристика КЗВ равна МВа(ю) = аВ(ю), где, а - средняя
амплитуда возбуждаемых сигналов, а дисперсия ЭВа (ю) = паа. Пределы изменения значений спектральной характеристики за счет разброса амплитуд даются выражением: Ва(со) = В(со) ± 3(аа / а)л/п .
Полученные формулы проверялись экспериментальными работами [Еманов, 1982], где было установлено, что расчетом на основе упрощенных представлений о короткозамедленном взрывании, можно описать только частично изменение возбуждаемых в среде колебаний. Была выявлена важная роль в изменении направленности взрыва. Последовательность ступеней вызывает воздействие в виде наклонной силы с направленным действием, в отличие от вертикальной силы при одиночном взрыве. При короткозамедленном взрывании в значительной степениусиливается возбуждение поперечных волн, что меняет динамику записи в целом [Еманов, 1982; Зиневич и др., 1998]. Расчеты и эксперимент подтверждают, что сейсмический эффект серии взрывов при коротко-замедленном взрывании равен сейсмическому эффекту одного взрыва в серии и отличается длительностью воздействия.
Теоретически при неизменном весе заряда ступени мы должны наблюдать одну и ту же магнитуду, не зависимо от общего заряда взрыва. На рис. 1 представлены зависимости магнитуды от величины общего заряда для взрывов на двух разрезах. Один севернее г. Кемерово (Барзасское товарищество) и другой в центре Кузбасса (разрез Бачатский).
ML а. Барзасское товарищество, 2017 г.
3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7
• •
• • •• • • •
• • • __
• • • • _1 9 9 9-«-ПГ
-Я~т——-9-----■ •
м • •• •
• • • •
T
20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200,00
ML Б. Бачатский разрез, 2 квартал 2017 г.
3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5
л'-
«
50
100
150
200
250
T
300
0
Рис. 1. Зависимость магнитуды МЬ от общего заряда короткозамедленного взрыва (тонны)
Осредненные зависимости говорят о росте магнитуды с увеличением величины общего заряда на обоих разрезах. В расчете на сто тонн увеличения заряда мы имеем примерно увеличение магнитуды чуть более одной десятой. Совершенно ясно, что резервы по снижению сейсмического эффекта за счет ко-роткозамедленного взрывания еще имеются.
На территории Кузбасса много разрезов, где ведутся взрывные работы. Совершенно ясно, что по количеству взрывчатых веществ [Адушкин, 2015] определяется лишь первое приближение к оценке воздействия на недра колебаний, возбуждаемых промышленными взрывами. В данном случае мы воспользуемся результатами регистрации промышленных взрывов сетью сейсмологических станций [Еманов и др., 2015]. Нас интересуют взрывы с локальной маг-нитудой 2,5 и более.
Рис. 2. Карта плотности промышленных взрывов с М1 > 2,5 в 2017 г.
Наибольшее количество событий (рис. 2) с магнитудами более 2,5 фиксируется около г. Междуреченска, где располагаются разрезы Красногорский, Сибир-гинский, Междуреченский и другие. На втором месте по количеству таких событий разрезы около г. Абакан. Чуть меньше крупных промышленных взрывов в районе Талдинского и близких к нему разрезах. Еще меньшее количество крупных взрывов в районе разрезов «Бачатский», «Киселёвский», «Красноброд-ский». Не много крупных взрывов на разрезах севернее г. Кемерово, в районе Ургунского месторождения угля и в районе г. Ленинск-Кузнецкого.
На рис. 3 даны сведения о землетрясениях в 2017 г. для районов добычи угля. Наибольшее количество техногенных землетрясений в этом году произошло в районе разреза Калтанский. Обращает внимание, что промышленных
взрывов с большим сейсмическим эффектом в районе данного разреза не проводилось. Так же в районе г. Ленинск-Кузнецкий в 2017 г. зафиксировано большое количество техногенных землетрясений, а промышленных взрывов с большим сейсмическим эффектом там не было. Восточнее г. Новокузнецк присутствует техногенная сейсмическая активность, а промышленных взрывов с сильным сейсмическим эффектом нет. Около г. Междуреченск наведенная сейсмичность смещена к востоку в район шахты «Распадская», а максимум числа промышленных взрывов с большим сейсмическим эффектом смещен к западу от города. Совпадение техногенной сейсмической активности и промышленных взрывов с большими значениями магнитуд наблюдается в районе Талдинского угольного разреза.
ПКарьерь. Магнитуды землетрясений (МЦ: • -0 7-05 • 0.5-1.5 • 15-2.5 # 2.5-3.5 фз 5-4.6
Рис. 3. Карта эпицентров землетрясений 2017 г.
Нет однозначной связи между сейсмическим воздействием на земную кору от промышленных взрывов и формирующейся в Кузбассе наведенной сейсмичностью. Фактором, который может быть причиной формирования наведенной сейсмичности является техногенное изменение рельефа местности.
В Кузбассе распространена наведенная сейсмичность около шахт. Активизируются недра под горной выработкой на глубину чуть больше километра. Установлено влияние вибрации на сейсмический процесс около подземных выработок [Еманов и др., 2008; Змушко и др., 2011].
Результаты:
• разрезы с наиболее сильными по магнитуде промышленными взрывами не являются разрезами с наиболее сильной наведенной сейсмичностью;
• отмечается рост магнитуды взрывов с увеличением общей массы заряда, хотя при короткозамедленном взрывании магнитуда должна зависеть от заряда ступени и не зависеть от общего заряда.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адушкин В. В. Триггерная сейсмичность Кузбасса // Триггерные эффекты в геосистемах. Материалы III всероссийского семинара-совещания. - 2015. - С. 8-28.
2. Брыксин А. А., Селезнёв В. С. Влияние техногенных факторов на сейсмичность районов Кузбасса и озера Байкал // Геология и геофизика. - 2012. - Т. 53. - № 3. - С. 399-405.
3. Друкованый М. Ф. Методы управления взрывом на карьерах. - М. : Недра, 1973. -
402 с.
4. Еманов А. Ф. Корреляционный метод сжатия сигналов для обработки сейсмограмм промышленных взрывов // Геология и геофизика. - 1980. - № 4. - С. 77-86.
5. Еманов А. Ф. Влияние короткозамедленного взрывания на сейсмограммы промышленных взрывов // Геология и геофизика. - 1982. - № 9. - С. 81-89.
6. Еманов А. Ф., Еманов А. А., Фатеев А. В., Лескова Е. В., Колесников Ю. И. Промышленные взрывы и техногенная сейсмичность // Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействия на объекты недропользования. - Новосибирск : СО РАН, 2008. - С. 228-366.
7. Еманов А. Ф., Еманов А. А., Фатеев А. В., Лескова Е. В., Корабельщиков Д. Г., Ду-раченко А. В. Система мониторинга наведенной сейсмичности Кузбасса и триггерные эффекты в развитии сейсмического процесса // Триггерные эффекты в геосистемах. Материалы III -го всероссийского семинара-совещания. - 2015. - С. 190-199.
8. Еманов А. Ф., Еманов А. А., Фатеев А. В., Лескова Е. В. Техногенное Бачатское землетрясение 18.06.2013 в Кузбассе - сильнейшее в мире при добыче твердых полезных ископаемых // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2016. - Т. 43. - № 4. -С. 34-60.
9. Зиневич А. Н., Филина А. Г., Еманов А. Ф. Статистический подход к распознаванию промышленных взрывов и землетрясений // Методы изучения, строение и мониторинг литосферы. Материалы конференции, Новосибирск 6-13 сентября. - 1998. - С. 205-212.
10. Змушко Т. Ю., Турунтаев С. Б., Куликов В. И. Связь шахтной сейсмичности с режимом горных работ на шахтах г. Воркуты // Динамические процессы в геосферах: сборник научных трудов ИДГ РАН. - М. : ГЕОС, 2011. - Вып. 2. - С. 75-88.
REFERENCES
1. Adushkin V. V. Triggernaya sejsmichnost' Kuzbassa // Triggernye effekty v geosistemah. Materialy III -go vserossijskogo seminara-soveshchaniya. - 2015. - S. 8-28.
2. Bryksin A. A., Seleznyov V. S. Vliyanie tekhnogennyh faktorov na sejsmichnost' rajonov Kuzbassa i ozera Bajkal // Geologiya i geofizika. - 2012. - T. 53. - № 3. - S. 399-405.
3. Drukovanyj M. F. Metody upravleniya vzryvom na kar'erah. - M. : Nedra, 1973. - 402 s.
4. Emanov A. F. Korrelyacionnyj metod szhatiya signalov dlya obrabotki sejsmogramm promyshlennyh vzryvov // Geologiya i geofizika. - 1980. - № 4. - S. 77-86.
5. Emanov A. F. Vliyanie korotkozamedlennogo vzryvaniya na sejsmogrammy promyshlennyh vzryvov // Geologiya i geofizika. - 1982. - № 9. - S. 81-89.
6. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V., Kolesnikov Yu. I. Promysh-lennye vzryvy i tekhnogennaya sejsmichnost' // Sovremennaya geodinamika massiva gornyh porod verhnej chasti litosfery: istoki, parametry, vozdejstviya na ob"ekty nedropol'zovaniya. - Novosibirsk : SO RAN, 2008. - S. 228-366.
7. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V., Korabel'shchikov D. G., Durachenko A. V. Sistema monitoringa navedyonnoj sejsmichnosti Kuzbassa i triggernye effekty v razvitii sejsmicheskogo processa // Triggernye effekty v geosistemah. Materialy III vserossijskogo seminara-soveshchaniya. - 2015. - S. 190-199.
8. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V. Tekhnogennoe Bachatskoe Zemletryasenie 18.06.2013 v Kuzbasse - sil'nejshee v mire pri dobyche tvyordyh poleznyh iskopaemyh // Voprosy inzhenernoj sejsmologii. - 2016. - T. 43. - № 4. -S. 34-60.
9. Zinevich A. N., Filina A. G., Emanov A. F. Statisticheskij podhod k raspoznavaniyu promyshlennyh vzryvov i zemletryasenij // Metody izucheniya, stroenie i monitoring litosfery. Materialy konferencii, Novosibirsk 6-13 sentyabrya. - 1998. - S. 205-212.
10. Zmushko T. Yu., Turuntaev S. B., Kulikov V. I. Svyaz' shahtnoj sejsmichnosti s rezhimom gornyh rabot na shahtah g. Vorkuty // Dinamicheskie processy v geosferah: sbornik nauchnyh trudov IDG RAN. - M. : GEOS, 2011. - Vyp. 2. - S. 75-88.
© А. Ф. Еманов, А. А. Еманов, А. В. Фатеев, Е. В. Шевкунова,
У. Ю. Ворона, Н. А. Серёжников, 2018
