CC BY
73
----------------------------------------- © А. А. Козырев, А. В. Ловчиков,
В. А. Мальцев, 2005
УДК 551.25:622.83
А.А. Козырев, А.В. Ловчиков, В.А. Мальцев
СИЛЬНЕЙШИЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ СОБЫТИЯ В РУДНИКАХ ЛОВОЗЕРСКОГО И ХИБИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ В 2004 ГОДУ
Семинар № 2
Среди удароопасных месторождений России Ловозерское редкометальное и Хибинское апатитовое на Кольском полуострове являются наиболее сейсмически (геодинамически) активными. В предыдущие годы здесь неоднократно происходили техногенные, т.е. обусловленные горными работами землетрясения, с магнитудами до Мs = 3-4. Достаточно напомнить, что на руднике “Умбозеро” Ловозерского месторождения произошло сильнейшее разрушительное техногенное землетрясение за всю историю эксплуатации российских рудников (17.08.1999, М = 4.0 - 4.4), разрушившее подземные выработки рудника на площади более 600 тыс. кв. м [1]. После него на Ловозерском месторождении ежегодно реги-стри-руется до 10 - 14 землетрясений в год с магнитудами М = 1 - 3. В 2004 году на Хибинском и Ловозерском месторождениях снова произошло несколько сильных сейсмических событий, наиболее мощные из которых описываются ниже.
4 октября 2004 года в 00 час. 59 мин. 05.8 сек (МБК) сейсмостанциями “Ловозеро” и
“Апатиты” ГС РАН, а также рядом других сейсмостанций, на Кольском полуострове зарегистрировано сейсмическое событие с магнитудой М = 3.2 (по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН). Эпицентр события располагался в Ловозерском массиве, в районе отработки Ловозерского месторождения. Регистрацию сейсмических событий в Ловозерском массиве осуществляют четыре сейсмостанции: “Апатиты” ГС РАН (расположена в г. Апатиты, 50 км от Ловозер-ского месторождения), “ARRAY” сейсмостанции “Апатиты” (14 км от г. Апатиты), “Ловозе-ро” ГС РАН (расположена непосредственно на руднике “Карнасурт” Ловозерского месторождения), “Ревда” (расположена непосредственно на руднике “Умбозеро” того же месторождения). Местоположение сейсмостанций “Лово-зеро” и “Ревда” в Ловозерском массиве показано на рис. 1. Землетрясение ощущалось на рудниках и в ближайшем п. Ревда (5-10 км от рудников), однако визуально наблюдаемых последствий не вызвало.
Наиболее достоверную информацию о сейсмических событиях в Ловозерском массиве из всех перечисленных выше дает сейсмостанция “Ловозеро” ГС РАН, поскольку расположена непосредственно в пределах массива. Сейсмостанция “Ревда” Ловозерской ГОК находится пока еще в режиме опытнопромышленной эксплуатации. Апатитские
сейсмостанции расположены “неудобно” по отношению к Ловозерскому массиву, поскольку сейсмические колебания из него до этих станций проходят через Хибинский массив, обладающий своим аномальным сейсмическим
фоном. Поэтому положение эпицентра землетрясения определялось по данным станций, расположенных в Ловозерском массиве. Схема определения координат эпицентра землетрясения по данным сейсмостанций “Ловозеро” и “Ревда” представлена на рис. 2 (данные предоставлены нач. сейсмостанции “Ловозеро” Р. Г. Рахимовым). Координаты гипоцентра землетрясения, по данным сейсмостанции “Ловозеро”, таковы: широта - 67.861 град.; долгота - 34.452 град.; глубина - 0.3 км, что соответствует местоположению шахтного поля рудника “Умбозеро”. Более точно определить местоположение очага региональные сейсмостанции в настоящее время не позволяют.
Между тем, рудник “Умбозеро” в течение предшествующих последних трех месяцев бездействовал (горные работы на руднике остановлены в июне 2004 года и не возобновлены до текущего момента). Более того, в течение двух предшествующих лет горные работы на руднике велись столь низкими темпами, что можно говорить об их отсутствии в течении этого периода. По этой причине полностью исключается влияние текущих горных работ как одна из причин происшедшего землетрясения. Вследствие отсутствия людей в руднике никто не мог наблюдать землетрясение в подземных выработках. Однако было отмечено, что после землетрясения примерно вдвое возрос водо-приток в выработки рудника (по данным регистрации объемов водоотлива). В соседнем действующем руднике “Карнасурт” (расстояние - 8 км) последствия землетрясения никак не ощущались.
Для рудника “Умбозеро” выяснение последствий и причин прошедшего землетрясения было весьма важно, поскольку по мощности (энергии) оно было вторым после упомянутого землетрясения
17.08.1999 г. в Ловозерском массиве.
Напомним, что горные работы на руднике “Умбозеро” ведутся на
Рис. 1. Схема расположения сейсмо-
станций «Ловозеро» и «Ревда» в Ловозерском массиве: 1 - выработанное пространство рудников
Рис. 4. Схема расположения выработок и геологических разломов на разрезе вкрест простирания рудного тела для карьера Центрального рудника ОАО «Апатит»
двух пологопадающих сближенных рудных пластах, мощностью 2.5 м (нижний) и 5.5 м (верхний), залегающих согласно на расстоянии 60 м по вертикали друг от друга. Нижний пласт до землетрясения
17.08.1999 г. был отработан на площади около 2.0*0.5 км2, верхний на площади 0.6x0.2 км2 над выработанным пространством нижнего. Положение горных работ, ввиду малых объемов очистной выемки в последующий период, к текущему моменту практически не изменилось.
Обследование выработок рудника сразу после землетрясения показало, что последствия его в горных выработках незначительны. Установлено, что на входе в одну из отработанных очистных камер на южном фланге верхнего отрабатываемого пласта, т. е. в сопряжении камеры с целиками, произошел вывал пород из кровли, объемом около 300 куб. м. Размеры камеры таковы: длина - 80 м; ширина - 18 м; высота - 5.5 м. В соседней камере с аналогичными параметрами, в целике, разделяющем камеры, отмечено раскрытие суб-горизонтальных трещин, протяженностью до первых десятков метров, вызвавшие небольшие отслоения из стенок целика. Расположение указанных участков разрушений в выработках показано на рис. 3. Других значительных разрушений пород в выработках, на основании предварительного осмотра и анализа, не выявлено.
Отметим некоторые особенности происшедшего сейсмического события. Главная из них такова: при большой мощности (М = 3.2) наблюдаются относительно небольшие последствия в руднике, что дает основания полагать, что основные разрушения произошли в массиве, в толще покрывающих пород над верхней отрабатываемой рудной залежью. Об этом свидетельствует увеличившийся водоприток в выработки, вероятнее всего, за счет дренирования вод с поверхности по вновь образовавшимся трещинам. Другая особенность: разрушения отмечены в выработках вышележащей отрабатываемой рудной залежи, тогда как во время землетрясения 17.08.1999 г. эти выработки были совершенно не затронуты [2]. Этот факт также свидетельствует в пользу предположения о преимущественном разрушении пород покрывающей толщи верхней рудной залежи во время землетрясения 04.10.2004 г. Последняя особенность,
которую необходимо отметить, это возникновение сильного сейсмического события в зоне ведения горных работ при консервации самих горных работ, как это имело место на руднике “Ум-бозеро”. Очевидно, это событие является следствием релаксационных процессов в массиве, возвращающих его в состояние геодинамического равновесия, нарушенного горными работами. Другие, более мелкие сейсмические события, происшедшие в 2004 году в Ловозерском массиве (всего в 2004 году в массиве произошло 9 событий с магнитудой М>1), в настоящей работе не рассматриваются.
24 сентября 2004 года в 19 часов 04 минуты 42 (МЗК) секунды под карьером Центрального рудника ОАО “Апатит” произошло техногенное землетрясение с магнитудой М = 2.2-2.3 по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН (по данным Центра геофизического мониторинга ОАО «Апатит» энергия 2.15-109 Дж).
Карьер Центрального рудника работает с середины 60-х годов XX века. Он относится к нагорным карьерам, располагаясь на горном плато с абсолютной высотной отметкой +1050 м, окруженном долинами с отметками +400 - +500 м. С середины 80-х годов карьер вышел на производительность более 25 млн т руды в год и около 50 млн т общей горной массы. Всего за годы работы карьера добыто более 600 млн т руды и перемещено более 1 млрд т горной массы. В результате в настоящее время размеры карьера составляют более 3 км по простиранию, около 2 км вкрест простирания рудного тела, а глубина превысила 500 м. Под карьером пройдена система тоннелей с нормальной железнодорожной колеей, на которые осуществляется перепуск руды по рудоспускам, а затем производится транспортировка руды.
Массив горных пород, в котором осуществляется разработка апатитового месторождения и
Рис. 3. Последствия землетрясения 4.10.2004 г. в выработках верхнего пласта на руднике «Умбозеро»: 1 - очистные и подготовительные выработки; 2 -вывал; 3 - трещины в целике
расположены тоннели, сложен среднезернистыми уртитами и ийолитами, модуль упругости которых Е = 7-104 МПа, предел прочности при одноосном сжатии сто = (180 - 200) МПа. В лежачем боку месторождения на расстоянии 50 м друг от друга располагаются две плоские зоны ослабления мощностью 1-2 м, представленные окисленными породами. Угол падения окисленных зон 30-35 градусов (рис. 4). В массиве пород действуют субгоризонтальные тектонические сжимающие напряжения: по простиранию рудного тела =60 МПа, и вкрест простирания =30 МПа.
Землетрясение 24 сентября 2004 года предварялось в течение суток серией форшоков с магнитудой М = 0.6 - 2.1 (энергия 106 - 108 Дж). Сейсмостанцией Центра геофизического мониторинга ОАО «Апатит» с 15 час. 23.09.2004 зарегистрирован резкий рост сейсмической активности в районе рудоспуска №6 и подводящих к нему тоннелей под дном карьера. До середины дня 23 сентября сейсмическая активность порядка 25-50 событий в сутки в основном наблюдалась в зоне интенсивных очистных работ на подземном Рас-
вумчоррском руднике, подрабатывающим в данное время северо-западный борт карьера Центрального рудника, т.е. в районе от -500 м до 100 м по простиранию и от 250 м до 550 м вкрест простирания рудного тела (рис. 5а). С 15 часов 23 сентября сейсмическая активность возросла до 500-700 событий в сутки и сконцентрировалась в районе от 500 м до 1400 м по простиранию и от 200 м до 900 м вкрест простирания рудного тела вдоль простирания окисленной зоны (рис. 5б). Происходило нарастание энергии единичного события с 102-104 Дж в период по 23 сентября включительно до 105-106 Дж в первой половине дня 24 сентября и до 107-108 Дж во второй половине дня 24 сентября. За полтора часа до главного толчка на руднике было произведено 5 массовых взрывов мощностью 4-115 т ВВ (суммарная мощность 300 т).
Землетрясение сопровождалось так же аф-тершоковой серией сейсмических событий с энергией 105-107 Дж в течение около полутора суток.
а
Рис. 5. Изменение сейсмичности перед техногенным землетрясением 24.10.2004г. на Центральном руднике ОАО «Апатит»:
а - фоновый уровень за двое суток до землетрясения; б- форшоковая активность в день землетрясения
б
Землетрясение ощущалось жителями г. Ки- 10 км от эпицентра. Толчки от наиболее мощных
ровска и пос. Кукисвумчорр, расположенных в 5- форшоковых событий ощущались рабочими уча-
стка выпуска Центрального руд-ника, работавших в тоннелях. Усиление сейсмической активности практически совпало с резким увеличением водопритока в горные выработки, вызванного интенсивными дождями и таянием первого снега, выпавшего в карьере в начале сентября. В тоннелях разрушения обнаружены на участках прилегающих к месту пересечения ослабленной зоны окисленных пород с контуром выработок.
По всей линии пересечения ослабленной зоны с контуром выработок произошли незначительные вывалы породы, вероятно, в результате подвижки блоков пород по этой зоне. На контуре тоннелей и подводящих выработках в висячем боку ослабленной зоны отмечены следующие разрушения. Во вспомогательной погрузочной выработке отмечено нарушение целостности торкретбетона по обеим стенкам и сопряжения стенок с кровлей. На протяжении 8 м от окисленной зоны в северной стенке раскрылись субгоризон-тальные трещины, ответвляющиеся от окисленной зоны. Из сопряжения южной стенки с кровлей выработки произошел выброс породы в месте пересечения выработки с окисленной зоной. В почве выработки образовались три продольные трещины длиной 8-10 м и произошло незначительное поднятие почвы. В бетоне погрузочной эстакады образовалась трещина вдоль всей эстакады.
В подводящем к рудоспуску тоннеле также произошло нарушение целостности торкрет бетона на участке протяженностью до 1 м от пересечения окисленной зоны с тоннелем. По южной стенке образовалась серия горизонтальных и наклонных согласно с окисленной зоной трещин, по которым пошла вода под напором.
1. Козырев АА., Ловчиков А.В., Кузьмин И.А.
Сильнейшее техногенное землетрясение на российских рудниках, 17 августа 1999г., рудника «Умбозеро» (Кольский полуостров). Горный информационноаналитический бюллетень, №6, 2000, МГТУ, Москва. С. 169-173.
— Коротко об авторах
Основной причиной возникновения техногенного землетрясения явилось перераспределение и повышение гравитационно-тектони-ческих напряжений в массиве пород вследствие выемки и перемещения больших масс руды и пород в карьере Центрального рудника и подземном Рас-вумчоррском руднике. Непосредственной причиной усиления общей сейсмичности и реализации землетрясения именно в это время явилось, вероятнее всего, снижение прочностных свойств по контактам трещин и крупных разрывных нарушений массива пород, обусловленное сильной обводненностью массива в результате интенсивных, продолжительных дождей и таяния снега.
Таким образом, приведенные факты свидетельствуют о многообразии причин и условий возникновения сильных сейсмических событий в горных массивах, обусловленных горными работами. На Хибинском месторождении такой причиной явилась концентрация напряжений в массиве, возникшая вследствие выемки больших масс горных пород в карьере и подземном руднике, а триггерным эффектом послужило ослабление связей по плоскостям нарушений в массиве, обусловленное метеорологическими факторами. На Ловозерском месторождении наиболее вероятной причиной сильного сейсмического события послужили релаксационные процессы в массиве, приводящие его в положение геодинамического равновесия, нарушенного горными работами. Изучение и анализ причин описанных явлений способствует решению проблемы прогноза и предотвращения техногенных землетрясений и горно-тектонических ударов в рудниках
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Козырев А.А., Ловчиков А.В., Пернацкий С.И.,
Шершневич ВА. Сильнейшее техногенное землетрясение на руднике «Умбозеро», горно-технические аспекты. Горный журнал, 2002, №1. С 43-49.
Козырев Анатолий Александрович - профессор, доктор технических наук, зам. директора, Ловчиков Александр Васильевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник Мальцев Виктор Анатольевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Горного института Кольского научного центра РАН.
© С.В. Клишин, 2005
