О деформационно-волновых процессах в окрестности горной выработки при взрывах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

О деформационно-волновых процессах в окрестности горной выработки при взрывах

В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, В.И. Востриков

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия

С использованием измерительной системы на основе скважинных продольных деформометров на руднике «Октябрьский» Норильского месторождения проведены натурные эксперименты, из которых следует, что максимальное воздействие технологических взрывов на горный массив наблюдается в направлении проходки горной выработки (по падению рудного пласта). Выработки, расположенные непосредственно под эпицентром взрыва, испытывают минимальные по значениям горизонтальные деформации. Дана оценка скоростям смещения структурных геоблоков и распространения деформационной волны, с использованием отношения которых предложен критерий определения состояния удароопасности горного массива.

1. Введение

В Институте горного дела СО РАН в последние несколько лет развивается новый подход к изучению напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, основанный на анализе последствий технологических взрывов. Причиной тому являются, с одной стороны, обнаруженная экспериментальная зависимость динамико-кинематических характеристик деформационных волн, индуцируемых взрывами или импульсными воздействиями на массив пород, от стадии их нагружения, и, с другой стороны, взрывы представляют собой важнейший технологический элемент в технологии подземной отработки месторождений полезных ископаемых, оперативный контроль за которыми позволяет максимально широко осуществлять по шахтным полям диагностику напряженно-деформированного состояния пород в месте ведения буровзрывных работ. В этом смысле развиваемый нами подход является дополнительным к традиционным.

На Талнахско-Октябрьском месторождении полезных ископаемых Норильского комбината были проведены эксперименты по изучению деформационно-волновых процессов вокруг подземной выработки при проведении технологических взрывов, с применением измерительной системы, состоящей из двух модернизированных оптоэлектронных деформационных зондов МОЭД-1п [1], в каждый из которых дополнительно введен один акустический канал. Использование переносного ком-

пьютера для сбора информации позволило осуществить динамический режим работы зондов при съеме данных через каждые 10 мс в течение достаточно продолжительного времени (~1 час).

2. Изменения в квазистатическом и динамическом режимах

Исследования проводились на специально подготовленном участке рудного пласта на глубине 600 м. План участка представлен на рис. 1, вертикальный разрез — на рис. 2. В восточной и западной стенках наблюдательной горной выработки ЗРШ-9 пробурены две скважины длиной по 8 м, в которые по схеме [1] установлены измерительные зонды A (четыре измерительных датчика) и B (пять датчиков). Первые датчики АМ1 и ВМ1 зондов располагались на расстоянии ~ 0.5 м от стенок наблюдательной выработки. Расстояние между датчиками и до базовых опор АБ, ВБ составляло 1.5 м, за исключением датчиков АМ2 и АМ3, расположенных на расстоянии 3 м. Над выработкой ЗРШ-9 непосредственно над скважинами проводились буро-взрывные работы по проходке разведочного орта РО-8. В ходе эксперимента было проведено 20 взрывов: 7 — в РО-8, 8 — в РО-7/8 из ЗРШ-10 и 5 — в РО-7/8 из ЗРШ-9. Получена информация по смещениям блоков в каждой скважине и построены разностные, то есть между двумя смежными датчиками, деформационные характеристики. Из этой информации отобраны и обработаны данные о

© Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И., 2004

170 166 162

Рис. 1. План участка проведения экспериментов

поведении массивов пород вокруг наблюдательной выработки ЗРШ-9 по мере проходки РО-8 за период с 3 по 14 июля 2002 г. Графики зафиксированных деформаций приведены на рис. 2.

Как видно из представленных графиков, индуцированные деформации становятся минимальными (почти нулевыми в пределах точности измерения) вдоль скважин А и В, когда забой РО-8 достигает положения наи-

Рис. 2. Графики деформаций: АМ1, ВМ2, ... — измерительные датчики; АБ, ВБ — базовые опоры зондов

меньшего расстояния до кровли ЗРШ-9 (~4 м), которое приходится на взрыв 11.07. При этом линия, соединяющая центры забоя РО-8 и сечения ЗРШ-9 в месте наблюдения, и направления скважин А и В квазиортогональ-

ны. О том, что картина деформаций обусловлена именно проходкой выработки РО-8, свидетельствует ярко выраженная квазисимметрия приведенных графиков, расположенных выше и ниже относительно «вырожденного»

0

а 0.4-

ш | 0.0 ■ ш \

Фронт движения показан на рис. 3, б

О -0.4 ■ ^

Момент взрыва 5.07

О

40

80

Время 1, с

120

160

Время 1, с

Рис. 3. Смещение датчика ВМ4 зонда В (а), фронт движения датчика ВМ4 (детальный вид с дискретизацией по времени 10 мс) (б)

графика для взрыва 11.07. Из этого обстоятельства можно сделать следующие важные выводы: в рассматриваемых структурно-геологических и геомеханических условиях [2] максимальное воздействие технологических взрывов как по смещениям, так и деформациям наблюдается в направлениях движения горной выработки (выраженная диаграмма направленности); выработки, расположенные непосредственно под центром технологического взрыва, испытывают минимальные по значениям горизонтальные смещения и деформации.

Наряду с описанными выше квазистатическими измерениями были проведены эксперименты по регистрации в динамическом режиме (съем информации каждые 10 мс в течение ~1 часа) поведения геоблоков массива вдоль измерительных скважин, что позволило определить скорости смещения отдельных геоблоков и распространения деформационной волны. В [3] было выведено кинематическое уравнение для ассоциированной группы волн маятникового типа:

_ (1+у) V у,

К+уГ„

(1)

где ¥р — скорость распространения продольной волны в блочном массиве; V, — средняя скорость относительного движения геоблоков — носителей маятниковой волны в промежутках 8 между этими геоблоками диаметром А, а параметр V _ 8/ А наиболее часто попадает в интервал (0.5 ^ 2) • 10-2 и, вообще говоря, зависит от уровня напряженности горного массива как функция параболического вида [4]. Для случая V, << V Ур (наиболее часто встречающегося в практике) формула (1) значительно упрощается, приобретая вид:

Vv_ Vz|v, или V _ Ге/Vv . (2)

3. Параметр V и оценка удароопасности

В натурных условиях параметр V удобно определять измерениями относительных смещений в глубине массива, значение V для удароопасных условий оценивается

величиной порядка V* = 4 • 10-3 [3]. В этом случае приведенные формулы позволяют предложить новый подход к определению удароопасных участков массива горных пород, основанный на измерениях ассоциированной пары кинематических характеристик V, и Vv. В зависимости от того, будет отношение V,/Vv больше

V* или меньше, испытываемый участок массива следует характеризовать соответственно как неудароопасный или удароопасный. Главный вопрос, очевидно, касается способов экспериментального определения Vг и Vv.

Опираясь на теоретические представления, использованные в [3] при выводе кинематического соотношения (1) для ассоциированной группы волн маятникового типа, скоростные параметры V, и Уу предлагается определять по записям деформационно-волновых пакетов, регистрируемых приборным комплексом МОЭД-1п от технологических взрывов: V, — по скорости нарастания амплитудных значений смещений геоблока, регистрируемой соответствующим датчиком комплекса (по крутизне фронта первых вступлений); Vv — как отношение расстояния контрольного датчика до центра взрыва к разнице по времени прихода между продольной волной (регистрируется акустическим каналом МОЭД-1п) и деформационной (регистрируется датчиком смещения прибора). На рис. 3 приведен конкретный пример записи смещения от технологического взрыва одним из датчиков деформометра МОЭД-1п, расположенным на удалении 18 м от центра.

По развернутой записи (рис. 3, б) первого вступления деформационной волны нетрудно рассчитать, что

ТЛ 6.5 -10-4 м

- 00217 м/с.

Так же просто рассчитывается скорость деформационной волны:

18 м Л „ .

Vv _---- 0.3 м/с.

v 60 с

0.05

0.00

0.00

5-0.04

10

Сейсмический датчик

400 500

100 200 300 400 500

О)

В

ш

О

■

Датчик ВМ2

0.00

100 200 300 400 500

-0.04

0.00

-0.04

0.00

-0.04

1

1

Датчик ВМЗ ■

100 200 300 400 500

■

■

Датчик ВМ4 II ■

100 200 300 400 500

1

Датчик ВМ5

Рис. 4. Графики смещений датчиков по скважине В от горного точка

Диаметры геоблоков-носителей маятниковых волн, рассчитываемые по методике [1], оцениваются величинами порядка 40-80 см. Подставляя вычисленные значения V, и Vv в формулу (2), имеем V = 7.2 • 10-2, что много больше критического V*. Следовательно, контрольный участок массива в месте проведения врыва можно квалифицировать как неудароопасный. По записям сейсмостанции «Норильск» экспериментальный участок наблюдений характеризуется как сейсмопассив-ный.

4. Обсуждение результатов

Следует отметить, что предложенный подход оценки удароопасности массива горных пород по отношениям ассоциированных пар скоростных параметров V, и Vv требует более широкой проверки в разных по уровню напряженности участках шахтных полей Талнахско-Ок-тябрьского месторождения, а также отдельно по каждой из выделяемых сейсмостанцией «Норильск» сейсмически пассивных и активных зон. Полагаем, что указанный подход может представлять существенный интерес и в плане глобальных сейсмологических приложений, свя-

занных с прогнозированием землетрясений по комплексу сейсмо-деформационных наблюдений. Об этом косвенно может свидетельствовать один из ниже описанных экспериментов, где акустический канал измерительной системы через несколько секунд после включения аппаратуры зафиксировал динамическое возбуждение, произошедшее в глубине горного массива, которое квалифицировалось как горный толчок в массиве, так как признаков нарушений наблюдательной выработки не наблюдалось. Датчики зондов (деформационные и акустический) зарегистрировали его, причем в скважине А сработал самый дальний от стенки выработки датчик АМ4. Диаграммы этого события для скважины В представлены на рис. 4. На этих диаграммах наблюдается любопытный характер распространения вдоль скважины волны смещения, направление которой совпало с направлением подвижки блоков от стенки выработки в глубь массива. Первый датчик зонда А не среагировал. Можно предположить, что контур выработки послужил «экраном» для деформационной волны и этот датчик и датчики АМ1.. .АМ3 зонда А оказались в его тени. Остальные датчики, прежде чем занять устойчивое постди-намическое положение, совершали колебательное движение, длительность которого от датчика к датчику увеличивалась по мере углубления в массив (ВМ2 — 110 с, ВМ3 — 123 с, ВМ4 — 140 с, ВМ5 — 170 с), после чего датчики вернулись в исходное положение. Амплитуда колебаний второго датчика находилась в пределах одного дискретного отсчета прибора, остальных трех составила два отсчета, т.е. 50 мкм. По представленным графикам можно определить скорость распространения волны (рис. 5), которая оказалась не постоянной, а увеличивалась в диапазоне ~ (5 ^ 8) • 10-2 м/с от датчика к датчику, с увеличением номера последних. Этот факт, по-видимому, объясняется тем, что с увеличением расстояния от стенки наблюдательной выработки в глубь массива уменьшается степень трещиноватости массива и растет радиальная компонента тензора напряжений.

Обращает на себя внимание, что отмеченный диапазон скоростей деформационной волны от толчка по порядку сравним (хотя и несколько выше) с приведенными

■£> 8

Ь б'

о

-

-

1 0.5 Л—1 1 1 1 2.0 3.5 5.0 Расстояние, м 1 1 1 1 6.5 1 8.0 1

ВМ1

ВМ2 ВМЗ ВМ4

ВМ5

ВБ

Стенка выработки

Рис. 5. Скорость распространения волны смещения

в [3] значениями скоростей возвратно-поступательного движения геоблоков от мощных технологических взрывов на Таштагольском руднике: ~ 20-70 м/час или ~ (0.6 2) • 10-2 м/с. К этим значениям близок диапазон скоростей так называемых миграционных фронтов индуцированной сейсмичности от планетарных землетрясений, оцениваемых по В.В. Жадину как ~200-800 км/год. Однако, как показано выше по развернутой записи рис. 3, б, для первого вступления деформационной волны от технологического взрыва на руднике «Октябрьский» имеем V, = 2.17 -10- м/с, что уже практически совпадает с приведенными значениями скоростей движения геоблоков от технологических взрывов на Таштагольском руднике.

5. Заключение

Таким образом, можно заключить, что наблюдаемые афтершоки от технологических взрывов и землетрясений в напряженных массивах горных пород по-су-ществу обусловлены осциллирующим движением фронтов медленных деформационных волн (ассоцииро-

ванной группой волн маятникового типа [3]), распространяющихся из очаговых зон динамических событий (землетрясений, взрывов, горных ударов, толчков).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 01-05-65062, 02-05-64837) и Интеграционных проектов СО РАН №№ 73 и 129.

Литература

1. Опарин В.Н., Акинин A.A., Востриков В.И., Юшкин В.Ф. О деформационно-волновых процессах в окрестности взрывов // Физ. ме-зомех. - 2002. - Т. 5. - № 5. - С. 43-49.

2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Аршавский В.В. Геомеха-

нические процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей. - Новосибирск: Наука, 1997. - 175 с.

3. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. II // ФТПРПИ. - 2000. - № 4. - С. 3-26.

4. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. и др. Стратегия развития автоматизированной системы контроля геодинамической безопасности на рудниках ОАО Горно-металлургическая компания «Норильский никель» // Тр. Межд. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2-4 октября 2001 г., Новосибирск. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001. - С. 190-195.

On strain-wave processes in the vicinity of a mine at blasting operations

V.N. Oparin, A.P. Tapsiev, and V.I. Vostrikov

Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia

Using a measuring complex on the basis of borehole longitudinal strainmeters full-scale experiments are performed on the “Oktyabrskii” mine of the Norilsk deposit. The experiments have shown that the maximum effect of main blasts on a massif is observed in the excavation direction. The mines located directly beneath the blast center experience minimum horizontal strains. The displacement velocities of structure geoblocks and strain wave velocities are estimated. Based on the velocity ratio we propose a criterion for determining the state of impact hazard of the rock massif.