Динамические характеристики медленных волн деформации как отклика массива на сильные взрывные воздействия Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

- © O.A. Хачай, О.Ю. Хачай, B.K. Климко, 2013

УДК 622. 83 + 530. 1 (075. 8)

О.А. Хачай, О.Ю. Хачай, В.К. Климко

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДЛЕННЫХ ВОЛН ДЕФОРМАЦИИ КАК ОТКЛИКА МАССИВА НА СИЛЬНЫЕ ВЗРЫВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ*

Введение дополнительного параметра - скорости распространения медленных деформационных волн позволило с использованием метода фазовых диаграмм идентифицировать их иерархическую структуру, что позволит в дальнейшем использовать эту информацию для моделирования и интерпретации распространения сейсмических и деформационных волн в иерархических структурах. Представляет интерес с помощью предложенного метода обработки рассмотреть тонкую структуру хаотической области для понимания зарожжения резонансного высокоэнергетического выброса и выработки критерия оценки устойчивости массива. Ключевые слова: отклик массива, медленные волны деформации, сейсмический шахтный каталог, анализ натурных данных, фазовые диаграммы.

В результате обобщения данных долговременных натурных геомеханико-геофизических измерений на рудниках полиметаллов была установлена нелинейная реакция горных пород на мощные динамические воздействия, а также распространение волн маятникового типа, носителями которых являются геоблоки различного иерархического уровня [1]. При этом эти волны обладают широкой низкой (по сравнению с сейсмическими волнами) скоростной гаммой [2 - 3].

Исследования состояния массива с использованием подходов теории динамических систем [4 - 9] производились с целью выяснения критериев смены режимов диссипативности для реальных горных массивов, находящихся под сильным техногенным воздействием. Для реализации этого исследования были использованы данные сейсмического каталога Таштагольско-го подземного рудника за два года с июня 2006 года по июнь 2008 г. В ка-

честве данных использованы пространственно-временные координаты всех динамических явлений-откликов массива, происшедших за этот период внутри шахтного поля, а также временные данные взрывов, произведенных для отработки массива, и значения зафиксированной сейсмической станцией энергии. В нашем анализе все шахтное поле было разделено на две половины: выработки северо-западного участка, районы стволов Западная и НовоКапитальная 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, выработки юго-восточного участка 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.

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10 - 05 - 00013, и ИП проекта с СО РАН 2012-2014гг.

Сейсмологический каталог был также 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: с 03. 06. 2006г - 13. 01. 2007 г. (период I), с 14. 01. 2007 - 17. 05. 2008 г. (период II), с 24. 05. 2008 - 26. 07. 2009 г. (период III). По данным шахтной детальной сейсмологической информации выявлены некоторые закономерности отклика массива на сильные техногенные воздействия, предварявшие один наиболее сильный горный удар на Таштагольском руднике (период II): неравномерности техногенного воздействия в виде массовых и технологических взрывов в северной и южной части шахтного поля. Большую практическую значимость представляет выявление количественной зависимости активизации удароопасного массива от неравномерности техногенного воздействия в виде массовых и технологических взрывов. Как следует из результатов анализа распределения поглощенной Ер и выделенной Ev энергии, изменение состояния массива - уменьшение или увеличение его активизации происходит не зависимо от пространственного положения источника техногенного взрыва и с запаздыванием по времени. Предложен новый метод обработки сейсмологической информации в реальном масштабе времени, которую можно проводить непосредственно на руднике для оценки изменения состояния ударо-опасного массива при его отработке. В результате анализа выделена характерная морфология фазовых траекторий отклика массива, находящегося локально во времени в устойчивом со-

стоянии: на фазовой плоскости имеется локальная область в виде клубка переплетенных траекторий и небольшие выбросы от этого клубка, не превышающие по энергии значений 105 Дж. В некоторые промежутки времени этот выброс превышает 105 Дж, достигая 106 Дж и даже 109 Дж.

Исходя из идей, изложенных в работах [1 - 3], и поставленных вопросов при анализе данных сейсмологического мониторинга мы решили дополнить анализируемую базу данных данными пространственных координат взрывов, ввести их в предложенный ранее метод обработки данных сейсмологического мониторинга и дополнить его новыми параметрами. Будем рассматривать каждую точку взрыва как источник сейсмических и деформационных волн. Используя кинематический подход обработки сейсмической информации будем каждую точку отклика массива использовать как пространственно временную точку первого вступления деформационной волны для вычисления скорости волны. Введем следующие две группы градаций скоростей: первая группа - от 1000 м/час до 500 м/час, от 500 м/час до 100 м/час, от 100 м/час до 50 м/час, от 50 м/час до 10 м/час, от 10 м/час до 1 м/час, от 1 м/час до 0. 01 м/час; вторая группа - от 1000 м/сек до 500 м/сек, от 500 м/сек до 100 м/сек, от 100 м/сек до 50 м/сек, от 50 м/сек до 10 м/сек, от 10 м/сек до 1 м/сек, от 1 м/сек до 0. 01 м/сек. Все отклики массива вместе с их пространственно-временными, скоростными и энергетическими характеристиками распределить по этим градациям и посчитать среднее от взрыва до следующего взрыва значение выделенной массивом энергии отклика и соответственно средней скорости возникшего цуга деформационных волн.

-1.00Е+00 -5.00Е-01 О.ООЕ+ОО 5.00Е-01 1.00Е+00 1.50Е+00 2.00Е+00 2.50Е+00 З.ООЕ+ОО 3.50Е+00

ЬдУ

Рис. 1. Распределение суммарной выделенной энергии динамическими явлениями, распространяющимися с разными средними скоростями за период наблюдения 24. 07. 2011 - 07. 07. 2012

Рис. 2. Иерархическая структура фазовых диаграмм северной части шахтного поля за период наблюдения 24. 07. 2011 - 07. 07. 2012 для двух градаций значений скоростей распространения деформационных волн. Условные обозначения: Е^выделенная массивом средняя энергия в Дж. за периоды наблюдений между взры-

, а=Б1дп дЕ„ , Уср-средняя скорость распространения деформа-

х дЕУ вами, Л=аЬа1 , I = -

ционных волн за весь период наблюдения

Рис. 3. Структура фазовых диаграмм южной части шахтного поля за период наблюдения 24. 07. 2011 - 07. 07. 2012 для двух градаций значений скоростей распространения деформационнытх волн

Из результатов анализа (рис. 1.) следует, что значения средних за весь период наблюдения скоростей деформационных волн, распространяющихся в южной и северной части массива горных пород шахты только незначительно отличаются друг от друга, а для четырех градаций практически совпадают. При этом количество энергии, переносимое волнами четырех градаций первой группы тоже отличается незначительно. Однако для волн со скоростями, попадающими в градации от 10 м/час до 1 м/час, от 1 м/час до 0. 01 м/час среднее за период наблюдения количество выделенной энергии в северной части превышает почти на два порядка соответствующего количества в южной части. Что касается волн деформации второй группы, в северной части массива реализуются только три градации за весь период наблюдения, в южной - четыре. Количество суммарной выделяемой энергии в южной и северной части массива горных пород имеет похожую тенденцию для соответственных средних

скоростей распространения деформационных волн.

Морфология фазовых диаграмм с учетом скоростей распространения деформационных волн остается такой же как и была обозначена в работе [6] (рис. 2), однако центры хаотического квазиустойчивого состояния для двух скоростных градаций сдвинуты по горизонтальной оси друг относительно друга. Это может свидетельствовать об иерархичности структуры, по которой распространяются волны со скоростями разных градаций.

Условные обозначения те же, что и на рис. 2.

Для южной части шахтного поля морфология фазовых диаграмм похожа на соответствующую морфологию для северной части, однако сдвиг фазовых диаграмм (рис. 3) не наблюдается, что может свидетельствовать о неоднородной, но не иерархической структуре массива, инициирующей деформационные волны со скоростями, принадлежащими конкретным двум различным градациям. Этот результат, безусловно, привязан к конкретному периоду наблюдений за со стоянием

Рис. 4. Структура фазовых диаграмм южной и северной части шахтного поля за период наблюдения 24. 07. 2011 - 07. 07. 2012 для одной градации скорости распространения деформационных волн: от 50 м/час до 10 м/час (условные обозначения те же, что на рис. 2)

Рис. 5. Структура фазовых диаграмм южной и северной части шахтного поля за период наблюдения 24. 07. 2011 - 07. 07. 2012 для одной градации скорости распространения деформационных волн: от 1 0 м/час до 1 м/час (условные обозначения те же, что на рис. 2)

массива. Представляет интерес проследить в дальнейшем насколько стабильна структура фазовых диаграмм со временем.

Результат сопоставления структур фазовых диаграмм южной и северной частей шахтного поля (рис. 4) свидетельствует об отсутствии сдвига хаотической области, наблюдаются последовательные с увеличением энергии выбросы и возврат в квазиустойчивую хаотическую область для северной части шахтного массива, для южной части наблюдается только один высокоэнергетический выброс. Интересно отметить, что значения средних скоростей деформационных волн для южной и северной части совпали.

Результат сопоставления структур фазовых диаграмм южной и северной частей шахтного поля (рис. 5) свидетельствует о наличии значительного сдвига хаотической области одной и другой диаграммы, наблюдаются последовательные с увеличением энергии выбросы и возврат в квазиустойчивую хаотическую область для север-

ной части шахтного массива, для южной части не наблюдаются высокоэнергетические выбросы. Значения средних скоростей деформационных волн для южной и северной части практически совпали, однако физические свойства структур южной и северной частей шахтного поля, в которых инициируются деформационные волны, различны.

Заключение

Введение дополнительного параметра - скорости распространения медленных деформационных волн позволило с использованием метода фазовых диаграмм идентифицировать их иерархическую структуру, что позволит в дальнейшем использовать эту информацию для моделирования и интерпретации распространения сейсмических и деформационных волн в иерархических структурах [10]. Представляет интерес с помощью предложенного метода обработки рассмотреть тонкую структуру хаотической области для понимания зарождения резонансного высокоэнергетического выброса.

1. Опарин В. Н., Леонтьев А. В. Квазистатика и динамика массива горных пород в областях сильного техногенного воздействия. // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды конференции с участием иностранных ученых, 6 - 10 июля 2009 г. Новосибирск. ИГД СО РАН. Новосибирск. 2010. С. 15 - 29.

2. Курленя М. В., Опарин В. Н, Вос-триков В. И.О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбужде-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

нии блочных сред. Волны маятникового типа Ц //ДАН СССР - 1993. - Т. 333. - № 4.

3. Опарин В. Н., Востриков В. Н., Тап-сиев А. П. и др. Об одном кинематическом критерии прогнозирования предельного состояния массивов горных пород по шахтным сейсмологическим данным // ФТПРПИ. -2006. - № 6.

4. Наймарк Ю. И., Ланда П. С. Стохастические и хаотические колебания // М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. —С. 424.

5. Чуличков А. И. Математические модели нелинейной динамики. М.: Физматлит, 2003. - С. 294.

6. Хачай О. А., Хачай О. Ю., Климко

B. К, Шипеев О. В. Отражение синергети-ческих свойств состояния массива горных пород под техногенным воздействием в данных шахтного сейсмологического каталога.// Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. — № 6. — 2010,

C. 259 - 271.

7. Хачай О. А., Хачай О. Ю., Климко В. К, Шипеев О. В. Пространственно-временные колебательные особенности си-нергетических свойств состояния ударо-опасного массива горных пород, определяемые по данным шахтного сейсмологического каталога.// Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, № 2, 2011, С. 305 - 311.

8. Hachay O. A., Khachay O. Yu, Klimko V. K, Shipeev O. Yu. The reflection of syner-getic features in the response of geological medium on outer force actions. / Advances in heterogeneous Material Mechanics - Shanghai, China, 2011.

9. Hachay O. A, Khachay A. Yu, Khachay O. Yu. Construction of a state evolution dynamical model of a rock massive, which is in a regime of energetic pumping.// Geophysical Research abstracts. -2011, - Vol. 13, - EGU2011 - 1528.

10. Хачай О. А., Хачай А. Ю. Изучение напряженно-деформированного состояния иерархических сред.// Третья тектонофи-зическая конференция в ИФЗ РАН. Материалы докладов конференции 8 - 12 октября 2012 г. Москва ИФЗ РАН. - 2012. с. 114-117. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Хачай Ольга Александровна — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН, о1да№аЛау@уап<1ех. ги,

Хачай Олег Юрьевич — магистр, ассистент, Институт математики и компьютерных наук, Уральский Федеральный Университет, №аЛау@шаП. ги,

Климко Валерий Константинович — филиал ОАО ЕВРАЗхолдинга, Таштагольский подземный рудник, +7(38473) 3-30-42.

А

ГОРНАЯ КНИГА -

Практическая механика горных пород

В.И. Борщ-Компониец 2013 г. 322 с.

ISBN: 978-5-98672-342-6 UDK: 622.83

Приведены общие вопросы механики горных пород, позволяющие читателю получить знания, формирующие системное представление о механических закономерностях, протекающих в массивах при проведении горных выработок. Рассмотрены особенности горных пород и напряженного состояния массивов, закономерности проявления горного давления при проведении одиночных и очистных горных выработок, основные положения сдвижения горных пород при подземной и открытой разработке. Описаны методы изучения сдвижения и проявления горного давления, виды анкерного крепления, пучения горных пород.