CC BY
53
УДК 622.831.32
С.В.ЦИРЕЛЬ, д-р техн. наук, гл. науч. сотрудник, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
S.V.TSIREL, Dr. in eng. sc., chief research assistant, [email protected]
Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ
ГОРНЫХ РАБОТ
Изучены закономерности изменения графиков повторяемости сейсмических событий по мере перехода от естественной сейсмической активности к техногенной. Рассмотрены процессы роста техногенной сейсмичности в горно-добывающих регионах на примерах Кольского п-ова и Кузбасса.
Ключевые слова: землетрясение, техногенная сейсмика, график повторяемости сейсмических событий, горно-добывающий регион, геодинамическая активность.
REGULARITIES OF PROGRESSING OF TECHNOGENIC SEISMIC
ACTIVITY IN MINING AREAS
Regularities of variation of cumulative graphs of seismic events repetition in process of transferring from natural seismic activity to the technogenic one are studied. Processes of growth of technogenic seismicity in mining regions on examples of the Kola peninsula and Kuzbass are reviewed.
Key words: earthquake, technogenic seismicity, graphs of seismic events repetition, mining region, geodynamic activity.
Многочисленные исследования [1,2] показывают, что техногенная деятельность может быть и причиной и источником сейсмических волн. Техногенная сейсмичность возни-
Рис. 1. Классификация техногенной сейсмичности
кает при проведении горных работ, при заполнении водохранилищ, при разработке месторождений нефти и газа, при закачке в недра земной коры жидких отходов, при проведении подземных ядерных взрывов и крупномасштабных взрывов обычных взрывчатых веществ (ВВ). Согласно [1], техногенной сейсмичностью называют микроколебания, сейсмические толчки и землетрясения, возникающие в земной коре при любых антропогенных воздействиях на окружающую среду. При этом источниками энергии колебаний могут быть как непосредственное техногенное воздействие, так и собственные энергетические запасы в самих структурах земной коры, либо оба источника одновременно. Классификация техногенной сейсмичности [2] основана на характере вклада энергии антропогенного процесса в техногенную сейсмичность (рис.1). К первичной относятся сейсмические волны
58 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.188
от крупномасштабных химических и ядерных взрывов. Наведенная сейсмичность включает в себя инициированную (наведенную), при которой техногенное воздействие является и важным источником энергии (наряду с энергетическими запасами самого массива) и спусковым механизмом динамического сброса энергии, а также индуцированную (триггерную), при которой роль антропогенного воздействия, главным образом, заключается в создании «спускового крючка», ускоряющего динамический сброс уже накопленной в массиве энергии.
Наиболее хорошо изучено влияние заполнения водохранилищ и закачки, и откачки жидкостей на техногенную сейсмичность. Отмечается [1,3], что она возникает исключительно в сейсмоактивных районах, характерна для 5-10 % водохранилищ (для 15-20 % высотой более 100 м), проявляется через 3-20 лет после начала заполнения водохранилища. Важнейшая ее особенность состоит в том, что общее количество выделившейся энергии меняется мало, главным образом происходит перераспределение между слабыми и сильными толчками в пользу слабых, суммарное количество которых значительно возрастает.
При разработках нефти и газа чаще возникает индуцированная сейсмичность, ее проявления тем сильнее, чем больше дисбаланс между объемами откачанной и закачанной жидкости, и более деформирована поверхность. Наряду с этим, наблюдается трудно отделимая от нее инициированная сейсмичность, закономерности проявления в целом которой аналогичны, наблюдаемым при заполнении землетрясений. В то же время в районах нефте- и газодобычи произошло несколько катастрофических землетрясений (прежде всего в Газли и Нефтегор-ске), связь которых с добычей нефти и газа является предметом многочисленных дискуссий.
Основные причины повышения сейсмичности при заполнении водохранилищ и откачке-закачке жидкостей состоят не в росте-снижении пригрузки, а, как показывает анализ литературных источников и проведенные исследования, связаны в основном с
тремя эффектами: ростом порового давления, снижением коэффициентов трения по разломам и изменением увеличения диапазона опасных углов между максимальным главным напряжением и швом разлома. Таким образом, вода не только способствует проскальзываниям и срывам на всех разломах, но и также изменяет относительную вероятность сейсмических событий на разломах разных направлений. После закачки (откачки) жидкости одни разломы могут стать менее опасными, а другие, наоборот, более опасными.
Это заставляет более внимательно посмотреть на влияние массового затопления шахт на сейсмические процессы, в первую очередь, в сейсмоопасных районах. К сожалению, этот вопрос малоисследован эмпирически, поэтому остается выдвинуть предположение, что затопление шахт способствовало изменению характера сейсмического процесса в Кузбассе и вызвало активизацию сейсмической активности ранее малоактивных разломов. Процессы, происходящие в районах массового затопления шахт, скорее подтверждают выдвинутое предположение.
Рассмотрим подробнее процесс развития сейсмотектонической активности при ведении горных работ. Как показали исследования [4], площадь зоны проявлений сейсмической активности и количество сейсмических событий, в первую очередь, зависят не от добычи в настоящее время, а от общего объема извлеченной горной массы (рис.2). В случае заполнения водохранилищ рост сейсмичности преимущественно идет за счет нарастания количества слабых событий.
Представленная на рис.2 закономерность указывает приблизительное количество ожидаемых сейсмических событий. Ее дополняет обнаруженная зависимость [5] количества динамических событий в шахтах и рудниках от 22-летнего цикла солнечной активности (рис.3). Наибольшее количество динамических событий приходится на 1-3-й и 7-10-й и соседние годы 22-летнего цикла. Это 1953-1955, 1961-1965, 1975-1978, 19831987, 1998-2001 и нынешний всплеск 20072009 (2010) гг.
а
б
1955 г.
1960 г.
1974 г.
Ei И2 Шз ПЕ54
ЕЕ, Дж, XQ, млн т
1950 1970
1990 Годы
Рис.2. Рост сейсмической активности в Хибинах при отработке апатито-нефелиновых руд:
а - распределение эпицентров землетрясений с М > 2 на различных этапах отработки руд (1 - апатито-нефелиновые месторождения; 2 - разломы, обрамляющие Хибины; 3 - эпицентры землетрясений; 4 - изолинии плотности землетрясений); б - зависимость сейсмической активности в Хибинах от объемов добытой руды (1 - суммарная добыча руды ЪQ на рудниках с начала работ; 2 - сейсмическая энергия ЪЕ (кривая Беньофа), выделившаяся при землетрясениях)
Указанный процесс нарастания сейсмотектонической активности по мере нарастания объема извлеченной горной массы в значительной степени представляет собой переход от преобладания индуцированной сейсмической активности над инициированной, т.е. представляет собой втягивание в техногенный сейсмический процесс всех больших участков массива, в которых накопление энергии определяется тектоническими процессами, но времена и особенности сброса энергии во многом задаются техногенным воздействием.
40 -
Ö 20 -
§
1
13
17 Годы
Рис.3. Изменение количества горных ударов в течение «сдвоенного» 22-летнего цикла солнечной активности. Жирной линией показана аппроксимация полиномом 5-й степени
60
На это прежде всего указывают изменения характера графиков повторяемости динамических событий при переходе от техногенных процессов к естественным (и обратно). Как показали наши исследования, графики повторяемости техногенных геодинамических событий - горных ударов на двух весьма удароопасных горных предприятиях России - Кизеловский угольный бассейн (1947-1983 гг.) и СУБР (1970-1995 гг.) существенно отличаются от закона Гутенберга - Рихтера и наилучшим образом описываются логарифмическими зависимостями (рис.4, а).
Сейсмические события на шахте «Комсомольская» в Воркутском бассейне происходят исключительно при движении лавы, при этом рост динамической активности, как правило, отмечается при переходах очистными лавами участков пласта со сложными горногеологическими условиями (наличие песчаника в кровле, близость разрывных нарушений и т.д.). График повторяемости лучше всего описывается экспоненциальной зависимостью, т.е. имеет промежуточную форму между логарифмической зависимостью и законом Гутенберга - Рихтера (рис.4, б).
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.188
0
9
5
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
1
10
100
1000
Объем разрушенной породы, м
10000
« 1000 «
н
Л
ю о о
[2 100
ч о
10
1
0
—I—
20
-!—
40
60
Энергия, кДж
Рис.4. Графики повторяемости горных ударов (а) и сейсмособытий на шахте «Комсомольская» (б)
« 100000 1 «
н л о
10000
«
ч о
1000
100
10
10 12 Энергетический класс
14
16
' Кузбасс 1981-1995 гг. (исходный каталог) ' Кузбасс 1998-2000 гг. (исходный каталог) Норильск 2000-2005 гг. (техногенная сейсмичность) Алтае-Саянский каталог 1999-2005 гг. (без серий и афтершоков) Шахта «Кальинская» (СУБР) 1987-2004 гг.
б
а
1
6
8
4
Рис.5. Сопоставление кумулятивных графиков повторяемости при различных стадиях развития
техногенной сейсмичности
Иную картину мы видим на глубоких рудниках с развитой сейсмической активностью. На рис.5 представлены графики повторяемости сейсмических событий на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» Тал-нахского месторождения (Норильск) и шахте «Кальинская» СУБРа (Североуральск). «Объемная» сейсмичность, охватывающая большие области горного массива, наблюдаемая на рудниках («Норильский никель»,
СУБР), подчиняется закону Гутенберга -Рихтера, но с более крутым наклоном (более узким диапазоном энергии), чем природная сейсмичность. По мере развития сейсмического процесса, с одной стороны, медленно снижается крутизна наклона, с другой - выделяются события, не укладывающиеся в график повторяемости (ярким примером являются мощные горно-тектонические удары на СУБРе). Основная причина появления
таких событий состоит в активации крупных тектонических структур.
Взгляд на это явление со стороны природных событий демонстрирует развитие техногенной сейсмичности в Кузбассе (рис.5). По мере роста техногенной составляющей увеличивается общее количество сейсмических событий, но в основном за счет слабых событий, что приводит к увеличению крутизны наклона графика повторяемости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адушкин В.В. Техногенная сейсмичность: основные источники, причины возникновения и классификация // Горная геомеханика и маркшейдерия в III тысячелетии / ВНИМИ. СПб, 2004. С.45-57.
2. Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности // Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994. С. 5-15.
3. Гупта X. Плотины и землетрясения / Х.Гупта, Б.Растоги. М.: Мир, 1979. 251 с.
4. Тряпицын В.М. Современная геодинамика и тектоника Хибин / В.М.Тряпицын, А.Н.Шабаров. Кострома: Авантитул, 2007. 146 с.
5. Яковлев Д.В. О 22-летней периодичности геодинамической активности / Д.В.Яковлев, Б.Г.Тарасов, С.В.Цирель // Российский геофизический журнал, 2006. С. 91-96.
REFERENCES
1. Adushkin V. V. Technogenic seismicity: the basic sources, the reasons of originating and classification // Mining geomechanics and Mine Survey in III millennium // VNIMI SPb, 2004. P.45-57.
2. Nikolaev A.V. Problems of the technogeneous seismicity // Technogeneous seismicity. Moscow: Nauka, 1994. P.5-15.
3. Gupta H.K., RastogiB.K. Dams and Earthquakes. Moscow: Mir, 1979. 251 р.
4. Trjapitsyn V.M., Shabarov A.N. The modern geody-namics and tectonics of the Khibini Mountains. Kostroma: Avantitul, 2007. 146 p.
5. Jakovlev D.V., Tarasov B.G., Tsirel S.V. About 22-year-old periodicity of geodynamic activity // Russian Geophysical Journal, 2006. P.91-96.
62 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.188
