Научная статья на тему 'Методика прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская»'

Методика прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская» Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
157
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГОРНЫЙ МАССИВ / УДАРООПАСНОЕ СОСТОЯНИЕ / СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТЬ. ROCK MASS / SEISMIC STABILITY. / ROCK-BUMP HAZARD

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Беляева Л. И.

Дано описание аппаратурнопрограммного комплекса «GITS», предназначенного для непрерывной регистрации и обработки сейсмических сигналов, возникающих в пределах шахтных полей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Беляева Л. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The description of the hardware-software system «GITS», designed for the continuous registering and processing of the seismic signals in the pit field area is given.

Текст научной работы на тему «Методика прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская»»

УДК 622.831.32 Л.И. Беляева

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА УДАРООПАСНОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА В СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПОЛЯ ШАХТЫ «КОМСОМОЛЬСКАЯ.»

Дано описание аппаратурно- программного комплекса «GITS», предназначенного для непрерывной регистрации и обработки сейсмических сигналов, возникающих в пределах шахтных полей.

Ключевые слова: горный массив, удароопасное состояние, сейсмоустойчивость.

Семинар № 2

L.I. Belyaeva

THE PROCEDURE OF FORECASTING THE BUMP HAZARDOUS STATE OF THE ROCK MASS IN THE GEOSEISMIC CONDITIONS OF THE PIT “KOMSOMOLSKAYA”

The description of the hardware-software system «GITS», designed for the continuous registering and processing of the seismic signals in the pit field area is given.

Key words: rock mass, rock-bump hazard, seismic stability.

Лоложительные результаты двухлетней работы аппаратурнопрограммного комплекса «GITS», установленного ша шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» ФЗАО «Север-сталь-Ресурс» позволили разработать совместно с ОАО ВНИМИ (г. С-Петербург) «Методику прогноза удароопасного состояния горного массива сейсмическим методом в условиях поля шахты «Комсомольская», включающая в себя полный пакет, утвержденных в Печорском межрегиональном управлении по ТЭН, документов:

• технические требования к системам контроля;

• описание сейсмической сети;

• методику обработки и интерпретации сейсмических событий;

• методику построения карт сейсмической активности;

• методические подходы к прогнозу удароопасности;

• описание критериев удароопас-ности;

• регламент взаимодействия с техническими службами шахты;

• общие принципы оценки эффективности прогноза.

Функциональное назначение аппаратурно-программного комплекса «GITS» заключается в следующем:

• непрерывная регистрация и последующая обработка сейсмических сигналов, возникающих в пределах шахтных полей;

• оценка энергии и координат сейсмических явлений, возникающих в контролируемом массиве горных пород;

• оценка и районирование шах-тных полей по сейсмической активности;

• выделение удароопасных зон в пределах сейсмической сети;

• прогноз перехода участков горного массива в удароопасное состояние;

• оценка эффективности разгрузочных мероприятий;

• накопление базы данных сейсмических событий.

Весь аппаратурный комплекс имеет возможность регистрировать в диапазоне частот 0.1-800 Гц сейсмические сигналы, энергетический спектр которых лежит и пределах от 102 Дж до 106 Дж, Чувствительность системы позволяет также перекрыть 4 -5 порядков по энергиям регистрируемых событий. Это условие необходимо для того, чтобы в рамках отдельной подсистемы осуществлять прогноз наиболее сильных сейсмических событий из данного энергетического диапазона, для чего создается банк данных (каталог) сейсмических событий, которые на 3-4 порядка ниже по энергии, чем прогнозируемые (1).

Кроме каталога сейсмических событий система имеет адаптированную базу данных о горно-технической обстановке на шахте. В ее состав входит: геологическая информация, планы и разрезы горных работ, технология ведения горных работ (проходческих и очистных), данные о физико-механических свойствах горного массива, о взрывных работах, профилактических мероприятиях, результаты оценки напряженного состояния массива локальными геофизическими и инструментальными методами т.п. Эти данные используются при комплексном анализе и прогнозе горнотехнической обстановки, планирования и контроля эффективности применяемых профилактических мероприятий, а также для выработки стратегии ведения горных работ с целью повышения их безопасности.

Выходным документом обрабатывающего комплекса GITS являются прогнозные Карты удароопасности участков шахтного поля, на которых представлены сейсмоопасные зоны увязанные по координатам с планами горных работ, а также и по вертикальным разрезам. При этом используют данные о сейсмической активности за определен-

ный период, предшествующего прогнозируемому периоду.

Построение сети системы GITS на шахте «Комсомольская» осуществлено с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического пункта. Под реальной чувствительностью принят радиус сферы (Rs), в пределах которой сейсмический пункт регистрирует событие заданной энергии. Условием уверенного определения момента первого вступления считаем трехкратное превышение амплитуды сигнала над амплитудой помехи: Асиг > 3Апом. Радиус реальной чувствительности определен по эмпирической формуле:

Rs < 332 • м, (1)

где Е - сейсмическая энергия события в Дж, а - амплитуда помехи в 10-7м/с. Rs составляет величину порядка 500 м для событий 102 Дж.

Пункты регистрации сети оборудованы в доступных подземных горных выработках при условии перекрытия радиусов реальной чувствительности минимум от четырех пунктов и максимально возможном разносе точек по координатам X, Y и Z для наилучшего окружения контролируемой области.

Регистрация сейсмических событий производится путем непрерывного мониторинга системой программного комплекса, состоящего из сети подземных и поверхностных пунктов регистрации (нижний уровень комплекса) и приемнообрабатывающей части (верхний уровень). Сеть из 12 точек регистрации (сейсмических пунктов) обеспечивает уверенное определение координат и сейсмической энергии явлений (толчков, микроударов, горных ударов, технологических взрывов) от 102Дж и выше. Вычисление координат сейсмического явления производится по време-

нам первых вступлений прямых продольных волн, определенных с точностью не менее 1-2 мс, минимум на 4-х точках регистрации при условии хорошего окружения очага данными точками двумя взаимоконтролирующими способами.

Для расчета координат установлены (по ранее многократно проведенным шахтным сейсморазведочным работам методом преломленных волн) скорости упругих волн в пределах 4600-5400 м/с в контролируемом массиве горных пород.

Погрешность определение координат при использовании средней скорости во внутренних точках сети составляет порядка ± 10.0 м по трем компонентам сейсмического датчика . При этом учитываются и реальные размеры очага.

Для оценки размера очага при различных его формах применены следующие эмпирические формулы:

г = 1.85Ec0'186, м (сфера);

L = 2.9ЕС024, м (плоскость), (2)

W = 2.0ЕС0'21, м (плоскость),

где Ес - сейсмическая энергия события, г - радиус сферы, охватывающий зону неупругих деформаций, L - длина разрыва, W - ширина разрыва.

Энергетической характеристикой события является сейсмическая энергия или та часть полной энергии очага, которая приходится на образование упругих колебаний и их распространение в массиве горных пород. Для шахтных условий она не превышает первых процентов от полной энергии и, чем больше энер-гия, тем выше доля сейсмической энергии. Для вычисления сейсмической энергии (прямой расчет) используется формула:

Ec=2лR2p(ZVpAp2Tp+ZVsAs2Ts), Дж, (3) где R - гипоцентральное расстояние, м; р - плотность среды; V,, У8 - скорости 266

продольной и поперечной волны, м/с; Ap, As - амплитуды скорости колебаний в продольной и поперечной волнах, м/с; xp,xs - длительность цуга колебаний в продольной и поперечной волнах, сек.

В результате прямого расчета энергии по большому числу сейсмических явлений получена корреляционная зависимость величины сейсмической энергии от длительности записи:

lgEc = А + В lg т, (4)

где т - полная длительность записи по сейсмограмме.

Для условий шахты «Комсомольская», коэффициенты А и В соответственно равны 2.21 и 2.70.

Разброс отдельных измерений от данной зависимости не превышает 0,5 порядка, что вполне допустимо при шахтных сейсмических измерениях.

Расчеты энергии по формуле (4), сделанные в ОАО ВНИМИ, показали их хорошую сходимость с результатами определений по зависимости (3), которая и используется при определении сейсмической энергии событий по длительности сигнала, которая определяется по всем установленным сейсмопунктам сети. Экстремальные значения в тах или min диапазоне выбраковываются. По остальным значениям считается среднее арифметическое с последующим расчетом величины энергия зарегистрированного сейсмического события.

По результатам сейсмических мониторинговых наблюдений на шахте «Комсомольская» установлены закономерности группирования сейсмических событий по координатам их очага в пределах одинаковых элементов шахтного поля с характерным размером L и классам энергии от Еmin до Ei. По результатам группирования за период Т с периодичностью 1 раз:

- в сутки строится «Карта плотности сейсмических событий» по энергии (рис. 2, а);

- за 15 дней «Карта удароопасности участков шахтного поля» с зонами повышенной активности и изменения критерия удароопасности массива параметру ¥ (рис. 2, б). Критическим энергетическим порогом сейсмического события, определяющим удароопасность массива принято зарегистрированное сейсмическое событие с Е=>30,0 кДж. Для контроля их состояния во времени с периодичностью раз в сутки оценивают параметры распределения событий по уровням энергии N1=^) по специальным графикам за предшествующий моменту оценки период времени Т (рис.3). Для участков шахтного поля с малым количеством событий в блоке за период Ти где оценка параметра F ненадежна, но есть события с большой Е, используется способ оценки развития зон напряженного состояния на основе частости событий Ni в классах по Е^ с показателем избыточности Еа в рамках одного класса.

Построение Карт удароопасности участков шахтного поля заключается в следующем:

- в кубе с линейными размерами 120х120х120 м подсчитывают параметры сейсмической активности (XN - количество сейсмических событий, XЕ -суммарная энергия событий и др.) и относят к центру куба;

- последовательно смещая этот куб с шагом 30 м по всей контролируемой площади, получают значения по соответствующей сетке;

- проводят изолинии сейсмической активности, осуществляя интерполяцию при вычислении промежуточных значений.

Карты удароопасности участков шахтного поля строят в координатах ^ (в плоскости разрабатываемых шахтой угольных пластов), и при необходимости по YZ и XZ (разрезы в крест и по простиранию угольной толщи).

Для шахты «Комсомольская», ОАО «Воркутауголь» применяется методика построения Карт удароопасности по параметру F (коэффициенту удароопасности), определенному для различных участков участков массива шахтного поля (2):

Р = £ Р кк =]Г р к/15

к=0 к=0

Рк = N + Бк , (5)

Б =Х^/^ /22,4

где Dk - сумма деформаций (корней из энергии), отнесенных к деформации события с энергией 500 Дж, за к-й день; Nk

- количество сейсмических событий за к-тый день; Fk = Nk + Dk - суммарное значение показателя F за к-тый день; F -итоговый показатель за 15 дней, предшествующих дню составления прогноза.

В алгоритме построения изолиний количество дней п, предшествующих дню составления прогноза, задаётся от 15 и до 30. Бк для каждого предшествующего дня умножается на коэффициент влияния - к/п, т.е. чем дальше событие от дня прогноза, тем меньше его влияние.

Участок массива шахтного поля покрывается квадратами со стороной 120 м (для поля шахты «Комсомольская», связано с размерами лавы) и со смещением в % длины стороны по обеим осям. Для каждого квадрата вычисляется своё значение Б и берутся координаты центра квадрата. По полученной сетке строятся изолинии. Для выделения удароопасных зон применительно к условиям шахты

—1т

Уровень 0 (ф оновый уровень) - за 15 дней в блоке не произошло крупных сейсмических событий, Р< 5.

Уровень 1 - значение Р< 100 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 1 ООО Дж Уровень 2 - Значение Р находится в диапазоне от 100 до 200 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 5000 Дж.

Уровень 3 - Значение Я находится в диапазоне от до ' или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 10 ООО Дж.

Уровень 4 - Значение Р находится в диапазоне от 400 до 900 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 20 ООО Дж

Ур овень 5 - Значение Я находится в диапазоне от 800 до 1000 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 30 ООО Дж

Уровень 6 - Значение Р превышает 1000 или внутри блока зарегистрировано событие с энергией Е > 35 ООО Дж

Рис. 1. Значения уровней критерия коэффициента удароопасности - параметр ¥

Рис. 2, а. По горизонтам пластов: п ¡4+13+12 и п 14+13+12+ц

Рис. 2,-б: По лавам поля шахты «Комсомольская»

«Комсомольская» получены значения уровней критерия удароопасности (рис. 1). Удароопасными зонами, по нарастанию, считаются области, оконтуренные изолиниями по градации уровней параметра F=4-5-6 (цвет:оранж-красный-синий) и определяются, соответственно, как: «потенциально опасные - опасные-

сверхопасные», по проявлению горных ударов.

Положение изолиний выносят на планы горных работ в виде Карт ударо-опасности участков шахтного поля раздельно по разрабатываемым пластам (рис. 2, а-б).

_

Графики распределений сейсмособытий по: частости N1, классам Е. Оценка критерия удароопасности массива по коэффициенту В

“Интервал накопления-

Г“1ч

F 3 >

Емин. 110000 Емакс. JTÖÖÖÖÖ ^

Количество событий

I

-

I 30 000

щ 25 000 71 20 000 15 000-

«опасно»

Рис. 3. Графики оценки развития зон напряженного состояния массива

В разработанной «Методике прогноза удароопасности состояния массива...» в качестве критерия прогноза удароопасного состяния массива представлен коэффициент В, рассчитанный путем построения кумулятивной зависимости количества событий Nk от энергетического класса Ei, происшедших в установленном объеме (120x120x120) за выбранный период времен.

По совокупности полученных пар значений Na Eicp) рассчитывают коэффициент регрессии В (тангенс угла наклона) по формулам метода наименьших квадратов для степенной функции (Y= No*XB).

Расчет коэффициента В выполняют по формуле:

Hn(Eicp)Zln(Nki) - nZln(Eicp)Zln(Nki)

B = -----------------------------------

(Zln(Eicp))2- n Z'(ln(Eicp))2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Здесь важным условием является, что n - количество пар (Nki, Eicp), в которых Nki > 1.

Значения выводятся на конечную дату (рис. 3).

Выводы

1. Основными параметрами комплексного анализа сейсмической информации, зарегистрированной сейсмостанцией базе системы GITS шахты «Комсомольская», для определения

критериев удароопасного состояния массива с целью разработки «Методики прогноза удароопасного состояния массива... » являются:

• уровень сейсмической активности

- число динамических явлений,

происходящих за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород

• уровень сейсмической энергии

- количество выделившейся энергии за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;

• константы закона повторяемости А и В, которые отражают связь количества динамических явлений N с величиной их сейсмической энергии Е;

• максимальный энергетический класс Кмакс происходящего сейсмического события с энергией Е, измеренной в Джоулях;

• пространственно-временного распределения зон сейсмической активности;

• изменение максимальной плотности сейсмических событий во времени;

1. Яковлев Д.В., Исаев Ю.С., Мулев С.Н. и др. «Аппаратно-программный комплекс «Ge-jlnfo Trans Sistem (GITS) в системах геодина-мического и экологического мониторинга», Междун.конф. «Горная геофизика»,22-25 июня 1998. С-Пб, ВНИМИ.

2. Ломакин В.С., Мулев С.Н., Скакун А.П., Цирель С.В., Беляева Л.И., Лопатков Д.Г., Каплуненко А.К. Методика прогноза удароопасного состояния массива, г. С- Пб, ОАО ВНИМИ, 2007 г.

• градиент нарастания количества сейсмических событий;

• градиент нарастания суммарной энергии;

• одним из основных характерных параметров процесса сейсмической активности является активность Nc - число событий за 15-ти дневный интервал времени регистрации;

• за 15 дней сейсмическая активность достаточно представительно отражает процессы, происходящие в массиве горных пород, контролируемом сейсмостанцией на базе системы GITS.

2. На основе «Методики прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская» разработаны и утверждены территориальными органами Ростехнадзора РФ: Положение о службе геодинамических наблюдений ОАО «Воркутауголь» и Регламент взаимодействия сейсмостанции с техническим руководством угледобывающего предприятия.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Мендецки А. и др. «Плановый сейсмологический мониторинг на горнодобывающих предприятиях», Горный институт УРО РАН, май 2007 г.

4. Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности.- Сб-к. «Проблемы наведенной сейсмичности». - М.; Наука,1994.-с.5-15.

5. Ломакин В.С. Региональный прогноз удароопасности на основе сейсмологических исследований. Дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Л; ОАО ВНИМИ, 1984 г. М

— Коротко об авторе ------------------------------------------------

Беляева Л.И. - Главный геофизик, ФЗАО «Северсталь-Ресурс», г. Воркута.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.