CC BY
28
УДК б22 271: В.В. Романов, К.С. Мальский, А.Н. Дронов
550.344
ВЫБОР МЕСТА ЗАЛОЖЕНИЯ ШТОЛЬНИ НА БОРТУ КАРЬЕРА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ*
Представлены результаты выбора места проходки штольни на уступе карьера. Выбор был реализован на основании анализа ряда статистических признаков зарегистрированных микросейсмических колебаний — пиковой амплитуды, среднеквадратической амплитуды, преобладающей частоты спектра Фурье и формы спектра Накамуры. Было установлен ряд закономерностей распределения свойств микросейсм сверху-вниз по откосу карьера. Ключевые слова: микросейсмы, комбинированный способ разработки, спектр Накамуры.
Введение [6, 7]
При отработке прибортовых запасов карьера штольнями и наклонными тоннелями большое значение имеет их устойчивость. Под действием разгрузки напряжений элементы подземных горных выработок постоянно совершают колебательные движения разной интенсивности. Для картирования ослабленных зон на бортах карьеров и подземных горных выработок авторами статьи предлагается использовать метод регистрации и анализа микросейсмических колебаний. Статистические параметры фона микросейсм в точке измерения зависят от состояния и свойств участка горного массива. Рассматриваемые зоны, с одной стороны — усиливают уровень слабых колебаний проходящих через них, с другой — сами являются источником микросейсм. В отличие от иных геофизических полей, микросейсмы — фон случайных механических колебаний, сформированный интерференций упругих волн от множества источников. Как и любой случайный процесс, микросейсмы характери-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-60070 мол_а_дк.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 314-321. © 2016. В.В. Романов, К.С. Мальский, А.Н. Дронов.
зуются такими параметрами, как среднеквадратичная и пиковая амплитуды и преобладающая частота спектра.
При измерениях микросейм применяются трехкомпонент-ные акселерометры и велосиметры, позволяющие определить развертку по времени полного вектора ускорения или скорости колебательного движения. Специфичным для трехкомпонент-ного измерения микросейсм является вычисление спектра На-камуры, определяющего приращение интенсивности предполагаемых землетрясений или иных сейсмических воздействий в точке измерения в зависимости от частоты внешнего воздействия.
В задачи исследования входило:
• подавление влияния поверхностных источников шума при обработке;
• расчет основных параметров записанных и обработанных сигналов;
• выбор критериев устойчивости откоса карьера в точках измерения;
• выдача рекомендации по точке заложения штольни на уступе борта карьера.
Объект исследования
Работы проводились на уступе северного борта карьера, сложенного осадочными горными породами. Высота уступа — 10 метров, в основании наблюдается подтопление подземными водами. Профиль уступа изображен на рис. 1.
I.» №1
20Я
204
ИН
МО-------
о х м «а к т не Н|>№5 |м Рис. 1. Профиль уступа карьера и точки измерения микросейсм
Методика эксперимента [5, 6]
Для регистрации микросейсм по борту карьера было выбрано 5 пунктов, оптимальных в плане надежности и удобства установки оборудования. Применялся программно-аппаратный комплекс, включающий:
• регистратор сейсмических сигналов Дельта-ЗМ (группа компаний «Логис-Геотех», ИТЛЯ.416611.004 ТУ);
• трехкомпонентный сейсмоприемник-акселерометр А0531 (ЗАО «Геоакустика», ГПКН.402152.001 ТУ);
• программно-алгоритмическое обеспечение обработки записей микросейсмических колебаний MicroSeisTools (В.В. Романов, К.С. Мальский, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016615697).
Датчик комплекса устанавливался на дно небольшого шурфа в выбранной точке измерения и прикрывался сверху фанерным листом. Имеющийся акселерометр позволил вести одновременную регистрацию трех компонент полного вектора ускорения — вертикальной (V) и двух горизонтальных (Нх, Н). Ось «^» датчика ориентировалась в северном направлении, вдоль склона. Регистрация в каждой точке велась в течение 15 минут, после чего комплекс перемещался на новую позицию. В результате, в каждом пункте профиля были записаны три сейсмические трассы — по числу компонент измеряемого вектора ускорения (рис. 2).
Рис. 2. Трехкомпонентная акселерограмма зарегистрированных микросейсм
В записанных выборках отбраковывались участки с повышенным уровнем шума, выполнялась фильтрация в полосе пропускания 1—15 Гц. По каждой компоненте находилась пиковая Apeak (1) и среднеквадратическая амплитуда ARMS (2), амплитудный спектр Фурье, кроме того, вычислялся спектр логарифма отношения Накамуры H/V (3).
A . = max a. (1)
peak i v '
arms=]la2 (2)
H ( f) = 16Ы HX (f} + HY (f} (3)
V (f) 1,6 g 2V(f) { )
Полученные результаты
В таблице приведены параметры фона микросейсм для пяти точек измерения. При вычислении спектра Фурье применялось среднее по двум горизонтальным компонентам значение спектральной амплитуды.
На рис. 3 представлены амплитудные спектры вертикальной компоненты ускорения для всех пикетов исследуемого профиля.
На основе значений спектров было вычислено соотношение Накамуры при помощи выражения (3). Умножение логарифма H/V на эмпирический коэффициент 1,6 позволяет определять устойчивость проектируемой штольни в единицах приращения интенсивности ожидаемого сильного землетрясения — баллах, как это принято в сейсмическом микрорайонировании. Нулевое приращение означает, что в точке измерения интенсивность
Номер Амплитуда ускорения, мкм/с2 Преобладающая частота, Гц
среднеквадратическая ARMS пиковая A FV FH
V HX H V HX HY
1 5 12 14 90 146 177 14 13
2 4 5 7 93 122 176 12 11
3 6 5 6 188 105 150 10 13
4 5 5 6 93 98 86 9 13
5 11 9 12 228 133 154 14 7
r\
\
/ f
гХ. у Y Д '
'f\Mja /n
/'" " А
№4-4^
\VJ - VI
V, V4
4 6 8 1а 12 и Г Гц
Рис. 3. Спектры Фурье вертикальной компоненты ускорения. Спектры нормированы к одному уровню для их корректного сравнения
землетрясения такое же, как в целом по региону. Отрицательное приращение указывает на меньшее разрушающее воздействие возможного землетрясения, и, следовательно, большую устойчивость горных выработок.
На рис. 4 представлены спектры отношения Накамуры для рассмотренного профиля.
1.4
нл 1.2
JW^ v
лГ \
N95. V\ ч
Ж k №5 Ns1 * А .
№2 ^ wflriJ LJ| rnS Л IIV!" V^y А' №2 l Jkl LUiH«.
V №3 TM J\n Fl yw/uy у» ,v\ iv Tr^ №4 V №3
-NM чг V
vyS/Vl, Ч л^ V ,№5
w
1 (1.Я
0.4 11.2
-Л.4 11.6
0 2 4 6 S I« 12 14 /Гц 16
Рис. 4. Спектры Накамуры в пикетах 1—5 318
Обсуждение результатов [1, 2, 4, 6]
Методы инженерной сейсмологии позволили установить, что интенсивность горизонтальных компонент микросейм снижается от верхней кромки склона к его основанию. Проведенные работы в целом подтвердили эти выводы.
За исключением пикета 5, где откос карьера был подтоплен, пиковые и среднеквадратические амплитуды микросейсм монотонно снижались при уменьшении абсолютных отметок профиля. Относительный градиент снижения амплитуд составил 1,5 на 10 м. Размах приращения «балльности» в крайних точках исследуемого откоса составляет 1,4 балла, что неплохо согласуется с опытом предшествующих работ. Преобладающая частота горизонтальной компоненты микросейсм по откосу карьера изменялась незначительно и в среднем составила 12 Гц. Преобладающая частота вертикальной компоненты систематически уменьшалась вниз по склону, с уровня 14 Гц до 9 Гц, затем, в пикете № 5 вновь поднялась до 14 Гц.
Подтвердился вывод о незначительном изменении вертикальной компоненты микросейм с высотой. Кроме того, за исключением точки № 4, амплитуда компоненты Y, ортогональной склону примерно в 1,5 превысил значение амплитуды компоненты X, ориентированной по склону. Это объясняется влиянием напряжений, возникающих на крутых склонах под действием силы тяжести и вызывающих оползневые процессы. В целом, горизонтальная компонента микросейсм превышает вертикальную в 1,5—2,0 раза, что характерно для мягких грунтов.
В спектральной области, в частотном диапазоне 0—6 Гц, влияние высоты точки измерения практически не ощущается. С увеличением частоты выше 6 Гц становится заметным, как падает уровень спектральных амплитуд микросейсм с высотой. Анализ спектров Накамуры показывает, в диапазоне 4—6 Гц интенсивность землетрясений в пределах профиля работ локально возрастает на 0,5 баллов.
Выводы
В ходе анализа полученных результатов было установлено, что:
• Наибольшей устойчивостью обладают области вблизи основания карьера, за исключением подтопленного участка.
• Отрицательный эффект от неудачно выбранной точки заложения штольни на бортах карьера может достигать 1,5 баллов при землетрясении или ином сильном колебании подземной выработки.
• При выборе места заложения выработки в первую очередь стоит опираться на значения амплитуд горизонтальной компоненты микросейсм, преобладающей частоты спектра Фурье и рассчитанный спектр Накамуры.
• По совокупности признаков, наиболее благоприятной точкой заложения штольни на изучаемом карьере был выбран пикет № 3. Эта точка отличается низкими спектральными амплитудами во всем изучаемом диапазоне частот (рис. 3), наилучшими показателями спектра Накамуры (рис. 4) и относительно невысокими амплитудами горизонтальной компоненты микросейсмических колебаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малеев Д. Ю., Шабалин В. А. Оценка сейсмической опасности тоннелей с помощью высокочастотных микросейсм // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — ОВ4. — С. 114—123.
2. Мендекеев Р. А., Орунбаев С. Ж., Атабаев Б. М., Кыдыралиева У. С. Определение состояния зданий и сооружений с помощью исследования микросейсм объекта // Вестник КГУСТА. — 2016. — № 1 (51). -С. 263-269.
3. Романов В. В., Мальский К. С. Анализ возможностей изучения гидрогеологического режима карьеров и подземных горных выработок инженерной сейсморазведкой // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 6. - С. 74-78.
4. Романов В. В., Мальский К. С., Боровой Е. А. Определение устойчивости бортов карьеров при инженерно-геологических изысканиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 7. -С. 77-81.
5. Романов В. В., Мальский К. С., Дронов А. Н. Использование записей микросейсмических колебаний при изучении влияния массовых взрывов на состояние горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 5. - С. 293-300.
6. Романов В. В., Мальский К. С., Дронов А. Н. Выбор оптимальных параметров записи микросейсмических колебаний в горных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. -№ 7. - С. 101-107.
7. Романов В. В., Посеренин А. И., Дронов А. Н., Мальский К. С. Обзор геофизических методов, применимых при поиске геомеханических нарушений вблизи горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 1. - С. 243-248. ti^re
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Романов Виктор Валерьевич1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Мальский Кирилл Сергеевич1 - доцент, e-mail: [email protected],
Дронов Андрей Николаевич - старший преподаватель, Российский университет дружбы народов, e-mail: [email protected],
1 Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе.
UDC 622.271: 550.344
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 314-321. V.V. Romanov, K.S. Mal'skiy, A.N. Dronov SELECTION OF AN ADIT SITE ON PITWALL USING MICROSEISMIC SOUNDING
The results of site selection adit sinking on the slope of the quarry. The selection was implemented on the basis of statistical analysis of the number of signs registered microseismic oscillations - peak amplitude, RMS amplitude, predominant frequency of the Fourier spectrum and spectrum values Nakamura. It established a number of properties of the distribution patterns of MS from top to bottom on the board career.
Key words: microseisms, combined method development, spectrum Nakamura.
AUTHORS
Romanov V.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected],
Mal'skiy K.S.1, Assistant Professor, e-mail: [email protected],
Dronov A.N., Senior Lecturer, e-mail: [email protected],
Peoples' Friendship University of Russia, 113093, Moscow, Russia,
1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze,
117997, Moscow, Russia.
ACKNOWLEDGEMENTS
This study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research, Scientific Project No. 163560070mol_a_dk.
REFERENCES
1. Maleev D. Yu., Shabalin V. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009, Special edition 4, pp. 114-123.
2. Mendekeev R. A., Orunbaev S. Zh., Atabaev B. M., Kydyralieva U. S. Vestnik KGUS-TA. 2016, no 1 (51), pp. 263-269.
3. Romanov V. V., Mal'skiy K. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 74-78.
4. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Borovoy E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 7, pp. 77-81.
5. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Dronov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 5, pp. 293-300.
6. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Dronov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 7, pp. 101-107.
7. Romanov V. V., Poserenin A. I., Dronov A. N., Mal'skiy K. S. Gornyy informatsion-no-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 1, pp. 243-248.
