CC BY
34
УДК 622.1
В. Сокола-Шевёла
СМЕЩЕНИЯ ТОЧЕК ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЙОНАХ ВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ И РЕГИСТРИРУЕМАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ТОЁЩИ ГОРНЫХ ПОРОД *
Семинар № 2
Ведение подземных горных работ вызывает деформирование толщи горных пород и земной поверхности. Выемка месторождения нарушает первичное состояние напряжения в толще горных пород в зоне горных работ. Превышение прочности пород кровли пласта на растяжение вызывает разрушение их структуры, в результате чего доходит к обрушению, которое даёт начало процессу смещений. Если на некоторой высоте над выемочным полем находится крепкий слой вязких пород, тогда процесс смещений останавливается на этом слое, а под ним могут образоваться пустые пространства в виде горизонтальных расслоений, называемых пустотами Вебера. После разработки соответственно большой партии месторождения открытые и согнутые слои крепких пород склонных к аккумуляции упругой энергии, могут подвергаться растрескиванию, которому сопутствуют явления толчков и горных ударов. Проблематика предотвращения выступления этих явлений, касается многих бассейнов мировой горнодобывающей промышленности. В Польше она связана, прежде всего, с горными работами на шахтах Г орносилезского угольного бассейна, а также Легницко-Глоговс-кого медного округа. Ведение подземной разработки, особенно под участками застроенными техникой,
требует интенсификации действий в области зашиты от повреждений в результате горных работ, а тем самым и совершенствования сушествуюших методов прогнозирования и оценки влияний разработки на толшу горных пород и земную поверхность. В особенности это касается также методов потенциальной сейсмической опасности.
В большинстве исследовательских работ явления деформации толши горного массива и сейсмичности индуцированной горными работами рассматриваются отдельно, хотя су-шествует наглядная связь между этими явлениями. Деформации земной коры измеряемые посредственно или непосредственно как изменения сейсмического режима и других геофизических полей в глобальной сейсмологии являются основой для прогнозирования землетрясений. Benioff [3], а также Bath i Benioff [2] определили зависимость между гипотетической деформацией в районе землетрясений а сейсмической энергией [9]. Единственными из первых работ польских исследователей, которые указывали на сушествование связей этого вида, являются работы [10, 11, 12, 16].
Исследования [1, 4, 5] проводимые на Кафедре эксплуатации месторождений в Силезском политехническом институте в г. Гливице обнаружили сушествование корреляционных зави-
симостей между рассчитанными деформациями выбранных слоев пород вследствие горных работ, а регистрируемым количеством и суммарической энергией толчков. Из-за недостатка удовлетворительного количества наблюдений за деформацией поверхности нет конечных результатов.
Предметом реализуемого в данное время исследовательского проекта является найти зависимость между замеренным распределением деформации поверхности территории, а регистрируемым уровнем сейсмичности индуцированной горными работами. Существенным элементом веденных исследований является применение разработанной на Кафедре лазерной системы непрерывного измерения смещений точек земной поверхности на больших расстояниях (патентное заявление № Р380346), позволяющей наблюдать за процессом деформации поверхности законченной толчком. Исследования ведутся на шахтном поле каменноугольной шахты «Халем-ба», в районе разработки лавой 6 пласта 415/1, партия Р. Горным работам в этой партии сопутствует высокая индуцированная сейсмичность. Исследования охватывают периодические измерения геодезическими методами и измерения непрерывного действия с использованием упомянутой лазерной системы непрерывного измерения смещений точек земной поверхности на больших расстояниях. Точную их характеристику и получаемые результаты представлено в работах [6, 7, 8, 14]. В работе [15] статистическими методами доказано (для анализируемого множества наблюдений) существование линейной зависимости между нарастающей суммарической сейсмической энергией толчков и их количеством и нарастающей поверхностью сечения мульды оседания, которая образуется
вдоль наблюдательной линии, размещенной вдоль поступающего фронта лавы. Целью настоящей работы есть представить результаты анализа связей смещений, замеченных при использовании вышеуказанной лазерной системы и зарегистрированной сейсмической активности.
2.Общая горно-геологическая характеристика в районе исследований
Исследования проводятся на территории Верхнесилезского угольного бассейна, в районе веденной шахтой «Халемба «разработки лавой 6 пласта 415/1, партия Р. Длина лавы составляет 285 м, а длина выемочного участка 1070 м. Разработка пласта ведётся на высоту до 3,5 м с оставлением угля в почве на средней глубине метров 600, системой разработки лавами по простиранию пласта с обрушением кровли. В районе исследований пласт падает в южном направлении под углом 7°. В почве, на расстоянии 5 м залегает восьмиметровый слой песчаника. В кровле залегает мощный слой 30 м, а также слои 15 и 17 м на расстояниях соответственно 35 м и 55 м. В прошлом, в этом районе велась разработка пластов 402, 403/1, 404/2, 405, 407/2, 409, 410, 411, 413/1, 413/2, а также 414/2 и 504, 506, 507. Пласт в партии Р относится к III степени опасности. В обсуждаемом районе выемка угля ведётся с 1998 года лавами, расположенными по простиранию с обрушением кровли.
3. Наблюдательский материал
Разработку в поле лавы 6 начато 21.12 2004 года. С 21.12.2004 года до 22.09.2006 года лава достигла на выемочном участке по простиранию 1012 м. Подвигание разработки дифференцировалось. Среднее подвигание в сутки - это около 2 м. В этот период в исследуемой партии зарегистрировано 299 толчков энергией от
Рис. 1. Распределение плотности энергии толчков ^/т2], зарегистрированных в исследуемой партии в период 21.12.2004 - 22.09.2005 гг. с очагами толчков энергией >5Е4 ^]
103 до 106 Л, которые индуцировали работы в поле предметной лавы. Максимальная энергия толчка равнялась 3Е6 Л. На рис. 1 представлено распределение плотности энергии толчков, зарегистрированных в этот период времени в исследуемой партии с очагами толчков энергией >5Е4 [Л].
Веденные исследования включают измерения вертикальных и горизонтальных смешений геодезическими методами на наблюдательных линиях 1, 2 и измерения непрерывного действия с использованием лазерной системы на точке Б (рис. 2). Измерения по высоте проводятся методом точной нивеллировки при использовании кодовых нивеллиров. Первое нивел-лирное измерение выполнено
29.10.2004 года. С 10.02.2005 года измерениями охвачено точку Б, на которой велись непрерывные наблюдения. Размешение точки Б в районе исследований представлено на рис. 2.
Циклы нивелирных измерений выполнялись в основном в промежутке от 3 до 14 дней. Вертикальные смешения точки Б во времени на основе результатов нивелирных измерений для объёма разработки до 22.09.2006 года составили 1653 мм. Измерения смешений точки Б, выполненные при по-моши лазерной системы, начались
22.02.2005 года. Разработанная система состоит из двух сегментов. Сегмент перый - это передаюшая станция (рис. 3), находяшаяся за зоной влияний горных работ, в районе предохранительного целика стволов Северный I, Северный II каменноугольной шахты «Халемба». Станция - это лазерная установка, генерируюшая излучение в диапазоне видимого света. Лазерный пучок направляется на на-бюдательный экран приёмочной станции (находяшейся в точке Б, рис. 4), которая является системой детекции лазерного пятна, состояшейся из ка-
меры ССЭ содействуюшеей с компьютером. Детекция положения центра пятна Х, У наступает с помошью оборудования, а регистрация при использовании разработанной на Кафедре программы. Разработанную установку тшательно обсуждено в работе [7].
Измерения были выполнены после определения
- параметров детекции, применительно к условиям погоды,
- частоты регистрации положения пятна (принято 4 Гц, главную часть измерений выполнено при частоте 2 Гц,
Рис. 2. Размещение точки Б в районе исследований -приёмная станция
- промежутка времени записи в файл (принято 2 минуты).
Примерные зарегистрированные результаты измерений, записываемые в файл на дискете в компьютере, представлены в табл. 1.
4. Вертикальные смешения точек земной поверхности и зарегистрированная сейсмическая активность толши горных пород
Анализ вертикальных смешений наблюдаемой точки Б земной поверхности выполнено используя результаты предметных непрерывных измерений смешений Б и 86 циклов нивеллирных измерений.
Принято, ссылаясь на вышеупомянутые работы и результаты эмпирических наблюдений за изменением физических свойств пород, предшест-вуюших землетрясению, представленных в работе [13], что непосредственно до выступления толчка могут
Рис. 3. Передающая станция - распо- Рис. 4. Приёмная станция- расположе-ложена в местности на в местности
Таблица 1
Результаты измерений оседания - точка S - пример регистрации 10.12.2005 г.
№ измерения дата время (час, мин., сек. ) X [пиксели] V [пиксели]
18752937 05-12-01 12:01 :23 419 225
18752938 05-12-01 12:01 24 419 228
18752939 05-12-01 12:01 24 422 226
18752940 05-12-01 12:01 25 424 225
18752941 05-12-01 12:01 25 422 226
18752942 05-12-01 12:01 40 :2 418 230
произойти изменения параметров деформации поверхности, между другими, вертикальных смешений. Отсюда из-за большого объёма имею-шегося материала, касаюшегося наблюдений и необходимости проведения верификации результатов измерений непрерывного действия с результатами нивелирных измерений, анализ проведено на выделенных из множества толчков явлениях, соответствующих определенным критериям А, В, С, Э:
А - толчок энергией не меньше чем 5Е4 Л; В - очаг толчка, находящийся на малом расстоянии от наблюдаемой точки Б; С - фронт разработки на малом расстоянии от на-
блюдаемой точки S; D - нет зарегистрированной сейсмической активности индуцированной выемочными работами в лаве в сравнительно долгое время. Табл. 2 содержит толчки, соответствующие определённым критериям.
На рис. 5 представлено распределение анализируемых толчков в районе лавы и соответственно состояние фронта разработки.
Для соответствующих выступлению толчка периодов времени циклов нивелирных измерений, исходя из накопленного эмпирического материала разработано диаграммы оседания точки S во времени W(t) для результатов нивелирных изменений, а также W(t)s для результатов лазерных непрерывных наблюдений. Проведено верификацию соответствия результатов нивелирных измерений с наблюдениями полученными в эти периоды на основе непрерывных измерений. На рис. 6 представлено диаграмму оседания W(t) и распределение анализируемых толчков во время ведения нивелирных измерений.
Анализ изменений приростов вертикальных
смещений точки S во вре-
Таблица 2
Составление анализируемых толчков
Дата толчка Энергия толчка [J] Размещение относительно фронта лавы [м]
05-10-27 8E4 80
05-11-04 7E4 50
05-11-16 3E5 90
05-11-21 4E5 50
05-12-01 4E5 90
05-12-29 5E4 30
06-01-20 6E4 30
06-02-02 5E4 60
06-02-08 6E4 100
06-02-09 9E4 40
06-02-09 3E5 50
06-03-30 8E4 30
06-04-07 5E4 70
Рис. 5. Распределение анализируемых толчков в исследуемой партии вместе с состояниями фронта разработки
мени проведено имея в виду диаграммы Ш($з. Предварительно определено образование этих изменений в периодах связанных с выступлением толчка. На рис. 7, 8 представлено фрагменты диаграмм Шфэ для двух выбранных толчков.
Предварительный анализ результатов:
- Замечено малые приросты вертикальных смешений во время до выступления толчка. Среднее положение точки при толчке от
27.10.2005 г. составило 298 пиксели (рис. 7), а от дня 01.12.2005 года 421 пиксели (рис. 8).
- В период непосредственно связанный с выступлением явления толчка
Рис. 6. Вертикальные смешения точки Б во времени вместе с распределением толчков соответствено во время циклов нивеллирньж измерений
замечено большой прирост вертикальных смешений в короткое время. Смешение достигло среднего значения при толчке от 27.10.2005 года -314 пик-
X-' II (МСрСННЯ
Рис. 7. Зарегистрированное вертикальное смешение точки Б во времени -толчок 27.10.2005 г, время 128 , енер-гией 8Е 4
сели (рис. 7), от 01.12.2005 года -475 пиксели (рис. 8).
- После толчка замечено поворот к малым приростам смешений.
- Приросты смешений ЛЬ, выте-каюшие из Ш ($э в период непосредственно связанный с выступлением толчка достигают процентно больших значений по отношению к оседанию, вытекаюшему из геодезических измерений во время циклов нивелирных измерений.
- Обнаружено зависимость между наблюдаемыми приростами оседания во времени непосредственно связанным с толчком, а расстоянием наблюдаемой точки поверхности очага толчка, фронта разработки и значения энергии толчка. Эти факторы влияют также на время выступления больших приростов оседания точки.
- В основном, чем меньше расстояние от наблюдаемой точки до очага толчка и больше энергия толчка, тем больше приросты оседаний обнаруживаются прежде чем выступит явление. Эти величины одновременно зависят от положения фронта разработки.
- Проведенный анализ приростов оседаний точки и зарегистрированной энергии толчка, обнаружил
№ II шсрсння
Рис. 8. Зарегистрированное вертикальное смешение точки пункта Б во времени----толчок 01.12.2005г., вре-
мя 1226, ,енергией 4Е5
качественные и количественные зависимости между этими величинами.
Представленное на рис. 7, 8 образование приростов оседаний замечено тоже в случаях остальных анализируемых толчков.
Исходя из результатов представленного анализа были выделены три основных периода изменений вертикальных смешений. Первый период, в котором наблюдается малые приросты вертикальных смешений. Второй период непосредственно связан с
толчком, который завершается после его появления, в котором скорости приростов вертикальных смешений
значительны и третий период, характеризующийся поворотом к малым приростам вертикальных смешений.
Принято I период времени от То до 77 , II период в пределе от Т до Тш и III период в пределе времени от Тш до Тк.
Предварительно эмпирическую диаграмму вертикальных смешений
аппроксимировали линейными функциями в виде (1):
а^ + Ь для То < ^ < Тк
а/ + Ь2
для Тк < ^ < Тш аЛ + Ь3 для Тш < ^ < Тк
(1)
Рис. 9. Вертикальное смешение точки Б Рис. 10. Зарегистрированное вертии-во времени аппроксимованное линей- кальное смешение точки Б аппрокси-ными функциями - толчок 27.10.2005, мованное линейными функциями
час-1 енергией 8Е4
толчок 01.12.2005, час-1226 енергией 4Е5
где То, Тк - начало и конец анализируемого периода времени; Ті, Тш -начало и конец предела времени непосредственно связанного с толчком; Ш @)в - замечено вертикальное смешение точки Б; а, Ь - параметры, вы-текаюшие из результатов замеченных изменений вертикальных смешений точки.
На рис. 9, 10 представлено эмпирические диаграммы изменений вертикальных смешений точки аппрокси-мированныне линейнными функциями.
5. Итоги
В статье представлены результаты предварительных анализов, замеченных вертикальных смешений точки земной поверхности и зарегистрированной сейсмической активности. Смешения были измерены и зарегистрированы с помошью лазерной системы непрерывного действия измерения смешений точек земной поверхности на больших расстояниях. Установлено повторяемость (для анализируемого множества наблюдений) образования изменений приростов вертикальных смешений наблюдаемой точки подверженной влияниям ве-
денной разработки в периоды предшествующие выступлению толчка и после его выступления. В принципе, до выступления события приросты смешений малы. В период непосредственно связанный с толчком выступают большие приросты смешений в короткое время, после достижения некоторого значения наступает повторная стабилизация и поворот к незначительным приростам. Выделены три основных периода изменений вертикальных смешений определенные интервалами времени.
Предложено аппроксимацию линейными функциями графически представленных эмпирических диаграмм смешений точки. Полученные результаты наблюдений будут подвержены дальнейшему анализу, особенно с учетом горно-геологических параметров веденных горных работ и в области точности получаемых в процессе реализации предметных измерений непрерывного действия. Результаты исследований могут позволить уточнить прогноз деформации поверхности территории, как и прогноз сейсмической опасности.
1. Banka P. 1996: Wplyw deformacji gyrotworu na czasowe zmiany aktywnosci sejsmicznej. ZN Pol. Sl. S. Gyrnictwo z. 232. Gliwice.
2. Bath M, Benioff H. 1961: Об аф-тершоках камчатского землетрясения. Москва.
3. Benioff H. 1979: Circum - pacific tectonics the mechanics of faulting with special reference to the fault-place Work. Hodgson
I.M. Publ.Dom.Obs.20.
4. Bialek J. Banka P., Jaworski A. 1998: Wykorzystanie analitycznych prognoz napr^zeniowo - deformacyjnych warunkyw wybierania do projektowania eksploatacji w rejonach zagrozonych t^paniami. Prace GIG, s. Konferencje nr 26. Katowice.
5. Bialek J. Jaworski A. 1989: Pryba oce-ny aktywnosci sejsmicznej na podstawie progno-zowanych stanyw deformacyjnych gyrotworu. ZN AGH, s. Gyrnictwo, z.142. Krakyw.
6. Bialek J., Sokola-Szewiola V., Opalka K. 2004: Badania deformacji powierzchni terenu w rejonach eksploatacji prowadzonej w warunkach wysokiej aktywnosci sejsmicznej. V Konferencja Naukowo-Techniczna. Ochrona Srodowiska na Terenach Gyrniczych. 24.06.2004. Szczyrk.
7. Bialek J., Sokola-Szewiola V., Opalka K. 2005: The use of laser technology in measurements of subsidence area surface. 5 Altbergbau Kolloquium. TU Clausthal. 35.11.2005. Clausthal.
8. Bialek J., Sokola-Szewiola V., Opalka K. 2006: Subsidence of land area points in re
lation to recorded rock mass seismic activity. 6 RWTH Aachen. 9-11.11.2006. Aachen.
9. Buben I 1971: O pewnych wlasnos-ciach sekwencji wstrz^sowych. Publ. Inst. geophys. Pol.Acad.Sc.47.
10. Descour J. 1979: Aktywnosc sejsmic-zna i osiadanie powierzchni a mechanizm t^pan. Cuprum nr 2.
11. Goszcz A. 1988: Wplyw gradientu pr^dkosci obnizania si^ powierzchni po wplywem robyt gyrniczych na stan zagrozenia wstrz^sami gyrniczymi. ZN AGH, s. Gyrnictwo z. 141. Krakyw.
12. Kijko A. 1985: Theoretical model for relationship between minning seismicity and excaviation area. Acta geoph. Pol. Vol.33.
13. Miaczkin V.I., Brace W.F., Sobolew G.A., Dietrich J.H. 1975: Two models for Earthquake Forerunners. Pageoph. 1975.vol. 113.
14. Sokola-Szewiola V. 2005: Defor-macje powierzchni terenu a rejestrowana ak-tywnosc sejsmiczna gyrotworu. Zeszyty Nauko-we Pol. Sl., s.Gyrnictwo , nr 270. Gliwice.
15. Sokola-Szewiola V. 2006: Obserwo-wane zmiany obnizen punktyw powierzchni terenu a rejestrowana aktywnosc sejsmiczna gyrotworu. XIII Mi^dzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna nt. Gyrnicze zagrozenia naturalne 2006. GIG. Katowice.
16. Wanior J. 1982: Metoda progno-zowania wstrz^syw z t^pni^c w oparciu o wyniki pomiaryw geodezyjnych. Wyd. PTPNoZ. Czestochowa. SHE
— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------
Виолетта Сокола-Шевёла - кандидат технических наук, инженер, Силезский политехнический институт Гливице, Польша.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Попов.
