CC BY
24
- © О.А. Хачай, О.Ю. Хачай,
В.К. Климко, О.В. Шипеев, 2015
УДК 622.83+530.1(075.8)
О.А. Хачай, О.Ю. Хачай, В.К. Климко, О.В. Шипеев
СОПОСТАВЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОСТОЯНИЯ УДАРООПАСНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ ПО ДАННЫМ ШАХТНОГО СЕЙСМОЛОГИЧЕСКОГО КАТАЛОГА И ИНДУКЦИОННОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ МОНИТОРИНГУ*
Анализ сеймологической и электромагнитной информации показал взаимно дополняющую информативность на различных пространственно-временных масштабных уровнях состояния горных массивов, находящихся под энергетическим воздействием в виде взрывов в процессе отработки. Выявлено изменение степени нелинейности во времени состояния массива при активном на него воздействии. Описание движения массива в рамках модели линейной динамической системы не будет соответствовать имеющей место практической ситуации. Как следует из полученных результатов анализа изменение состояния массива - уменьшение или увеличение его активизации происходит не зависимо от пространственного положения источника техногенного взрыва и с запаздыванием по времени. Для прогноза поведения массива, необходимо математически описать эту функцию запаздывания его активизации. Для этого следует продолжить получение и анализ комплексной информации, основанной на пассивном и активном сейсмическом и электромагнитном детальном мониторинге.
Ключевые слова: горный массив, техногенный взрыв, горные удары, сейсмологическая шахтная информация, напряженное состояние массива, сейсмический мониторинг, электромагнитный мониторинг.
Днализ обширного банка данных сейсмических записей толчков и горных ударов, зарегистрированных сейсмостанцией «Норильск» на рудниках Норильского месторождения с использованием предложенного ранее метода анализа [1] позволил обнаружить пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков рудного и породного массивов с движением фронтов индуцированной сейсмичности по типу колеблющегося маятника, выявлен диагностический признак перехода контролируемых участков породного
массива в удароопасное состояние на примере рудников Талнахско-Ок-тябрьского месторождения [2]. В развитие результата [3], были проведены исследования по изучению переходного процесса перераспределения напряженного и фазового состояний массива между сильными техногенными воздействиями на Таштагольском подземном руднике [4]. В качестве изучаемых параметров сейсмологического мониторинга рассмотрены значения суммарной энергии, выделяемой массивом конкретного блока отработки в виде динамических явлений
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-05-00013 а и по Интеграционному проекту с СО ИГД РАН 2009-2011.
после каждого массового взрыва 1д(Е^), значения поглощаемой массивом этого же блока энергии 1д(£ ) и максимального объема шахтного поля, где происходят динамические явления от данного массового взрыва 1д(Утах) данные сейсмического каталога. Т.е. проанализирован переходный процесс энерговыделения массивом в виде отклика на техногенное воздействие массовый или технологический взрыв для осуществления той или иной технологической процедуры (подсечка, отрезка, компенсация, обрушение) в блоке отработки. Проведенный анализ данных сейсмологического детального шахтного каталога позволил сделать следующие выводы: при отработке конкретного блока массива весь массив шахтного поля испытывает изменение напряженно-деформированного и фазового состояний от взрыва к взрыву; количество поглощаемой и отдаваемой массивом энергии не равно друг другу и поэтому в массиве происходит накопление энергии; процесс отдачи энергии происходит с запаздыванием и сильно зависит от градиента поглощаемой энергии от массовых взрывов; в массиве возникают зоны динамического затишья; эти зоны следует отслеживать с помощью данных сейсмо-логиче ского мониторинга, используя предложенные нами параметры; после выхода из минимума затишья необходимо в течение недели или двух недель до момента технологического обрушения проводить пространственно-временной активный электромагнитный или сейсмический мониторинг по выявлению зон потенциальной неустойчивости второго ранга; эти зоны могут быть после массового взрыва, приуроченного к обрушению источниками сильных динамических явлений; введение в систему отработки предлагаемого комплексного пассивного и активного геофизического мониторинга, нацеленного на изучение пере-
ходных процессов перераспределения напряженно-деформированного и фазового состояний [4-6] может способствовать предотвращению катастрофических динамических проявлений при отработке глубокозале-гающих месторождений. Эти выводы сделаны по анализу сейсмологических данных пространственно связанных с массивом конкретного блока отработки. Однако анализ сейсмологических данных показывает, что сильные динамические явления (горные удары с энергией более 106 Дж) могут происходить в более широкой области, нежели непосредственно блок отработки и могут быть инициированы с запаздыванием во времени.
В работах [7-8] впервые проанализирована сейсмологическая детальная шахтная информация с позиции синергетики и теории открытых динамических систем. Используя качественный анализ фазовых траекторий [9] показаны повторяющиеся закономерности, заключающиеся в переходах состояния массива из хаотического в упорядоченное и обратно. Сформулирована новая физическая постановка задачи для моделирования применительно к массивам горных пород, находящихся под техногенным воздействием. Если в предыдущих постановках общей теории эволюции открытых динамических систем [10, 11] исследовалась задача о переходе системы от упорядоченного состояния к хаосу, то в нашем случае, для нашей системы хаос заданного уровня является с одной стороны устойчивым состоянием для системы. С другой стороны этот параметр является управляющим для перехода системы в состояние с другим параметром, являющимся для нее катастрофическим. После реализации этой катастрофы система вновь создает область хаоса с параметром, близким по значению к первому.
В работе [12] дальнейшее изучение детального сейсмического каталога было посвящено выявлению пространственно-временных колебательных особенностей синергетических свойств удароопасного массива при его отработке взрывными технологиями. Для реализации этого исследования были использованы данные сейсмологического каталога Ташта-гольского подземного рудника за три года с июня 2006 г. по июнь 2009 г. В качестве данных использованы пространственно-временные координаты всех динамических явлений-откликов массива, происшедших за этот период внутри шахтного поля, а также взрывов, произведенных для отработки массива, и значения, вычисленные по сейсмическим данным энергии, зафиксированным сейсмической станцией. В нашем анализе все шахтное поле было разделено на две половины: выработки северо-западного участка, районы стволов Западная и Ново-Капитальная и выработки с 0 по 14 обозначены нами, как северный участок, выработки с 15 по 31 и южный вентиляционный и полевой штреки, ствол Южной шахты обозначены как южный участок. Учитывались все события-отклики с горизонтов -140 м, -210 м, -280 м, -350 м. Взрывы производились на юго-восточном участке отработки шахты на горизонтах +70 м,0 м, -70, на остальных участках на перечисленных выше горизонтах.
Далее каталог был разделен на две части: северную и южную по событиям откликам и по взрывам, происходившим в северной и южной части шахтного поля. Между взрывами суммировалась выделенная энергия динамических откликов массива соответственно южной и северной частей. Весь промежуток исследований был разделен на три периода:
03.06.2006 - 13.01.2007 (период I),
14.01.2007 - 17.05.2008 (период II),
24.05.2008 - 26.07.2009 (период III). По данным шахтной детальной сейсмологической информации выявлены некоторые закономерности отклика массива на сильные техногенные воздействия, предварявшие один наиболее сильный горный удар на Ташта-гольском руднике (период II): неравномерности техногенного воздействия в виде массовых и технологических взрывов в северной и южной части шахтного поля. Представляет интерес выявить количественную зависимость активизации удароопасного массива от неравномерности техногенного воздействия в виде массовых и технологических взрывов.
Как следует из результатов анализа распределения Е и Еу (рис. 1 а, б) изменение состояния массива- уменьшение или увеличение его активизации происходит не зависимо от пространственного положения источника техногенного взрыва и с запаздыванием по времени. Для прогноза поведения массива, необходимо математически описать эту функцию запаздывания его активизации. Для этого потребуется комплексная информация, основанная на пассивном и активном сейсмическом и электромагнитном мониторинге. Предложен новый метод обработки сейсмологической информации в реальном масштабе времени, которую можно проводить непосредственно на руднике для оценки изменения состояния удароопасного массива при его отработке.
Настоящая работа посвящена анализу комплексной информации: данных сейсмологического каталога и данных активного электромагнитного мониторинга с использованием нового метода обработки сейсмологической информации и разработанной ранее методики анализа электромагнитных данных [6-7].
Закономерности, отмеченные в работе [12], связанные с неравномер-
ностью распределения взрывов на севере и на юге шахтного поля, связанные с технологий и планированием отработки шахты сохранились и для исследуемого периода сейсмологической информации. Однако следует отметить следующие особенности: за период 100 суток, начиная со 100 суток от начала анализируемого периода и кончая 200 суток (рис. 1, а, 1, б), взрывы производились как в север-
ной части, так и в южной части шахтного поля примерно одинаковой интенсивности, однако энергия отклика массива в южной части существенно больше, чем в северной, за следующие 50 суток взрыв производились в южной части, в то время энергия отклика массива как в северной части, так и в южной части примерно одинакова. За период с 300 до 400 суток отработка взрывами производилась
Рис. 1. Распределение поглощенной Ер и выделенной Бу массивом энергии за период 28.06.2009 - 18.07.2010: северной части шахтного поля (а); южной части шахтного поля (б)
Распределение значений коэффициентов корреляции за выделенные временные интервалы
Период 129-182 (сут.) Период 203-259 (сут.) Период 307-385 (сут.)
Северная часть Я(Ев, Е) = 0,02 ЩЕв, Е) = 0,52
Южная часть ЩЕр, Е) = 0,68 ЩЕр, Е) = 0,24
в основном в северной части шахты, распределение энергии отклика массива северной части практически соответствует распределению энергии взрывов. Перечисленные закономерности прослеживаются и в значениях коэффициентов корреляции (таблица).
Представленные в таблице результаты свидетельствуют об изменении степени нелинейности во времени состояния массива при активном на него воздействии. Описание движения в рамках модели линейной динамической системы не будет соответ-
ствовать имеющей место практической ситуации.
Фазовые диаграммы состояния за оба периода (рис. 2, а, б), свидетельствуют о подобии состояния массивов южной и северной части шахтного поля за последние 2 года. Энергия откликов массива и скорость ее изменения носит идентичный характер.
Очередной цикл индукционного активного электромагнитного мониторинга проводился в 2010 г. с 9 июля по 26 июля в выработках северо-западного участка (рис. 3) и в нескольких
Рис. 2. Фазовые диаграммы состояния массива южной и северной части шахтного поля: 28.06.2009 - 18.07.2010 (а); 24.05.2008 -26.07.2009 (б)
выработках южного участка шахтного поля. В это же время шли технологические работы в блоке 4-5 северного участка. Технологические взрывы производились: 04.07 - энергия взрыва 1,7Е+06 Дж, 11.07 - энергия взрыва 3,5Е+07 Дж, 18.07 - энергия взрыва 1,7Е+06 Дж, 25.07 - энергия взрыва 1,7Е+06 Дж, 01.08 - энергия взрыва 1,4Е+05 Дж. Повторные электромагнитные наблюдения проводились в орту 3 СЗУ 9.07, 16.07, 23.07 и 26.07. Анализ электромагнитных данных за 4 цикла наблюдений с 2007 по 2010 гг. показал, что массив 3 орта СЗУ проявляет наибольшую чувствительность к изменению напряженно деформированного состояния в северо-западной части шахтного поля, вызванного воздействиями за его пределами.
Анализ данных (рис. 4) свидетельствует о том, что в околовыработочном пространстве -почве и кровле вдоль орта 3 СЗУ имеют место три аномальные зоны, которые в течение 4 циклов наблюдения не меняют своего расположения, однако интенсивность этих зон меняется от цикла к циклу и наибольшие изменения за время наблюдения произошли на частоте 10,13 кГц.
Анализ геоэлектрических разрезов почвы и кровли (рис. 5, а-г) свидетельствуют о том, что вмещающий зоны неоднородности разрез почвы и кровли в течение четырех циклов наблюдения не изменяется, меняется морфология зон неоднородности, их интенсивность.
Рис. 3. План шахтных выработок северной части шахтного поля, СЗУ - северо-западный участок
Субвертикальные структуры, проявляющиеся в разрезе почвы свидетельствуют о локальных увеличениях напряжений в массиве. Наибольшие напряжения наблюдались после взрыва 11.07 в блоке 4-5 северного участка. За последующие два цикла наблюдения интенсивность и морфология зон неоднородности свидетельствуют об изменении морфологии действующих напряжений, которые привели к усилении напряжений на контуре почвы выработки.
Рис. 4. Распределение параметра геоэлектрической неоднородности по данным электромагнитного индукционного активного мониторинга за 4 цикла наблюдений на 3 частотах
Условные обозначения: N - номера пикетов вдоль профиля, идущего по центру орта 3 СЗУ
|Н I
с шагом 5 м, 5% = 100% - параметр геоэлектрической неоднородности, определяемый
на каждом пикете для каждой частоты, |Нф|, |Нг| - модули измеряемых компонент переменного магнитного поля как функции частоты и расстояния от точки наблюдения до источника электромагнитного поля в виде вертикального магнитного диполя.
Рис. 5. Геоэлектрические разрезы по профилю орт 3 СЗУ, горизонт -210, Ташта-гольский подземный рудник, частота 10,13 кГц: 9.07.2010 (а), 16.07.2010 (б)
Рис. 5. Геоэлектрические разрезы по профилю орт 3 СЗУ, горизонт -210, Ташта-гэльский подземный рудник, частота 10,13 кГц: 23.07.2010 (в), 26.07.2010 (г)
—•—6 «гщч —•—10 *Гц(1) —*—20 *Гц(1> - а - 10кГц(2) - А - го кГц[2) —О • Б КГЦСЗ) —■ - 10 кГцР) —* - 20 кГЩЭ) —»-5иГц(4) -«-10 кГц(4) -А -20 *Гц(4}
• •
• • . □
• \ .13 : N \
. - • • В' ■ ■
ЧЯ .г / 1 /■ - * 1 Л / , I ■
а- чг си 5
6 в Т 8 9 10 11 12 13 14 15 1в 17 18 19
Рис. 6.
Условные обозначения: А = 5р(СЗУ 3-210)/5р(Я), N = 6 - СЗУ 3-210 (3), N = 7 -СЗУ 3-210 (4), N = 8 - СЗУ 4-210 (1), N = 9 - СЗУ 4-210 (2), N = 10 - СЗУ 5-210 (1), N = 11 - СЗУ 5-210 (2), N = 12 - СЗУ 5-210 (3), N = 13 - СЗУ 16-210 (1), N = 14 -СЗУ 13-210 (1), N = 15 - СЗУ 15-280 (1), N = 16 - СЗУ 16-280 (1), N = 17 - СЗУ11-280 (1), N = 18 - орт 24-350 (1); (¡), 1 = 1, 2, 3, 4, - номера циклов наблюдения
т к ^
за 2010 г., 5 (1,¡) , где 1 = 1,..., т, ] = 1,..., к по горизонтали и вертикали
1=1 ¡=1
разреза в почве для одного из циклов рис. 5, а-г; 210, 280, 350 - номера горизонтов.
На рис. 6 отражено резонансное увеличение суммарной интенсивности зон неоднородности в почве около-выработочного пространства орта 3 СЗУ относительно суммарной интенсивности зон неоднородности в почве околовыработочного пространства других ортов СЗУ на разных горизонтах и ортов южной части шахтного поля.
Заключение
Анализ сеймологической и электромагнитной информации показал взаимно дополняющую информативность на различных пространственно-временных масштабных уровнях состояния горных массивов, находящихся под энергетическим воздействием в виде взрывов в процессе отработки. Выявлено изменение степени нели-
нейности во времени состояния массива при активном на него воздействии. Описание движения массива в рамках модели линейной динамической системы не будет соответствовать имеющей место практической ситуации. Как следует из полученных результатов анализа изменение состояния массива - уменьшение или увеличение его активизации происходит не зависимо от пространственного положения источника техногенного взрыва и с запаздыванием по времени. Для прогноза поведения массива, необходимо математически описать эту функцию запаздывания его активизации. Для этого следует продолжить получение и анализ комплексной информации, основанной на пассивном и активном сейсмическом и электромагнитном детальном мониторинге.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об одном методе сканирования шахтной сейсмологической информации // Доклады Академии наук. 1993. Т. 333 W 6.
2. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. С. 445.
3. Хачай О.А. Проблема изучения процесса перераспределения напряженного и фазового состояний масссива между сильными техногенными воздействиями // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. W 5. C. 109-115.
4. Хачай О.А., Хачай О.Ю. Теоретические подходы к обоснованию систем геофизического контроля состояния геологической среды при техногенном воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. W 1. С. 161-169.
5. Хачай О.А., Хачай О.Ю., Климко В.К., Шипеев О.В. Проблема пространственно-временного прогноза устойчивости ударо-опасных массивов при их отработке взрывными технологиями // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. W 3. С. 121-129.
6. Khachay O.A., Khachay O.Yu. Results of electromagnetic and seismic monitoring of the state of rock massive by use the approach
of the open dynamical systems.// MPRG6. Thermo-hydro-mechanical coupling in stressed rock. Geophysical Research abstracts. Vol. 11. EGU2009-137.
7. Khachay O.A. Synergetic events in geological medium and nonlinear features of wave prop-agation // NP3.8/HS13.09 Solid Earth geocomplexity: surface processes, morphology and natural resources over wide ranges of scale. Geophysical Research abstracts. Vol. 11. EGU2009-3684.
8. Хачай О.А., Хачай О.Ю., Климко В.К., Шипеев О.В. Отражение синерге-тических свойств состояния массива горных пород под техногенным воздействием в данных шахтного сейсмологического каталога // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 6. C. 259-271.
9. Чуличков А.И. Математические модели нелинейной динамики. М.: Физматлит, 2003.
10. Малинецкий Г.Г. Математические основы синергетики. М.: Изд-во ЛКИ, 2007.
11. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Самарский А.А. Структуры и хаос в нелинейных средах М.: Физматлит, 2007.
12. Khachay O.A., Khachay O.Yu. Construction of dynamical model for evolution of rock massive state as a response on a changing of stress-deformed state // Geophysical research abstracts. Vol. 12. EGU2010-2662. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Хачай Ольга Александровна - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: olga.hachay@r66.ru, Институт геофизики УрО РАН;
Хачай Олег Юрьевич - ассистент кафедры, e-mail: khachay@mail.ru, Уральский федеральный университет;
Климко Валерий Константинович - кандидат технических наук, заместитель директора,
Шипеев Олег Васильевич - кандидат технических наук,
Филиал ОАО ЕВРАЗхолдинга. Таштагольский подземный рудник.
UDC 622.83+530.1(075.8)
COMPARISON OF ROCK BURST MASSIVE STATE SINERGETIC FEATURES PECULIARITIES USING MINES SEISMOLOGICAL CATALOGUE AND INDUCTION ELECTROMAGNETIC MONITORING DATA
Khachay O.A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences,
Leading Researcher, e-mail: olga.hachay@r66.ru,
Institute of Geophysics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences;
Khachay O.Yu., Assistant of Chair, e-mail: khachay@mail.ru,
Ural Federal University;
Klimko V.K., Candidate of Technical Sciences, Deputy Director, Shipeev O.V., Candidate of Technical Sciences, Branch of EvrazHolding. Tashtagol underground mine.
Results of seismological and electromagnetic information showed the mutual additional information on different space-time levels of rock massive state, which are energetic influenced by explosions used in mining technology. It is revealed a change of nonlinearity degree in time of the massive state by active influence on it. The description of massive movement in a frame of linear dynamical system will not satisfy the practical situation.
Key words: rock mass, induced explosion, rock burst, mine seismology information, rock mass stress state, seismic monitoring, electromagnetic monitoring.
REFERENCES
1. Kurlenya M.V., Oparin V.N., Eremenko A.A. Doklady Akademii nauk, 1993, vol. 333, no 6.
2. Sovremennaya geodinamika massiva gornykh porod verkhnei chasti litosfery: istoki, parametry, vozde-istvie na ob"ekty nedropol'zovaniya (Modern geodynamics of outer crust of earth: Sources, parameters, impact), Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2008, pp. 445.
3. Khachai O.A. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2006, no 5, pp. 109-115.
4. Khachai O.A., Khachai O.Yu. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2008, no 1, pp. 161-169.
5. Khachai O.A., Khachai O.Yu., Klimko V.K., Shipeev O.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2008, no 3, pp. 121-129.
6. Khachay O.A., Khachay O.Yu. Results of electromagnetic and seismic monitoring of the state of rock massive by use the approach of the open dynamical systems. MPRG6. Thermo-hydro-mechanical coupling in stressed rock. Geophysical Research abstracts. Vol. 11. EGU2009-137.
7. Khachay O.A. Synergetic events in geological medium and nonlinear features of wave propagation. NP3.8/HS13.09 Solid Earth geocomplexity: surface processes, morphology and natural resources over wide ranges of scale. Geophysical Research abstracts. Vol. 11. EGU2009-3684.
8. Khachai O.A., Khachai O.Yu., Klimko V.K., Shipeev O.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2010, no 6, pp. 259-271.
9. Chulichkov A.I. Matematicheskie modeli nelineinoi dinamiki (Mathematical models in nonlinear dynamics), Moscow, Fizmatlit, 2003.
10. Malinetskii G.G. Matematicheskie osnovy sinergetiki (Mathematical basics of synergetics), Moscow, Izd-vo LKI, 2007.
11. Akhromeeva T.S., Kurdyumov S.P., Malinetskii G.G., Samarskii A.A. Struktury i khaos v nelineinykh sredakh (Structures and chaos in nonlinear media), Moscow, Fizmatlit, 2007.
12. Khachay O.A., Khachay O.Yu. Construction of dynamical model for evolution of rock massive state as a response on a changing of stress-deformed state. Geophysical research abstracts. Vol. 12. EGU2010-2662.
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ФОРМЫ КОЛОНКОВОЙ ТРУБЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ПРИ ДОБЫЧЕ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
(№ 1041/01-15 от 06.10.14, 11 с.)
Кондратенко Валерий Ерофеевич - кандидат технических наук, доцент, Девятьярова Виктория Викторовна - доцент, e-mail: vikdev@yandex.ru, НИТУ «МИСиС».
THE CALCULATION OF THE SUSTAINABILITY OF CORE BARREL FORM FOR LARGE-DIAMETER DRILLING IN EXTRACTION OF NATURAL STONES
Kondratenko V.E., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Devyatyarova V.V., Assistant Professor, e-mail: vikdev@yandex.ru, National University of Science and Technology «MISiS».
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
