CC BY
53
0 пульсирующем режиме сейсмоэиерговыделеиия
из иапряжеииых участков шахтиых полей
В.Н. Опарин, В.И. Востриков, Н.Ф. Жилкина1, А.П. Тапсиев
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия,
1 Горно-металлургический опытно-исследовательский центр, ОАО ГМК «Норильский никель»,
Норильск, 663300, Россия
Анализ обширного банка данных сейсмических записей толчков и горных ударов, зарегистрированных сейсмостанцией «Норильск» на рудниках Октябрьский и Таймырский Норильского месторождения медно-никелевых руд, позволил обнаружить пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков рудного и породного массивов с движением фронтов индуцированной сейсмичности как в направлении от центров соответствующих «ядерных» зон, так и по направлению к ним — по типу своеобразного колеблющегося «маятника». Даны соответствующие кинематические оценки. Отмечается важная для прогнозных оценок катастрофических событий связь между средними значениями скоростей миграции фронтов индуцированной сейсмичности и «кажущихся» скоростей миграции сейсмособытий для упорядоченных по времени их проявления последовательностей в пределах зон повышенной сейсмоактивности.
On the pulsed mode of seismic energy release from stressed zones of mine fields
V.N. Oparin, V.I. Vostrikov, N.F. Zhilkina1, and A.P. Tapsiev
Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia,
1 Mining and Metallurgical Experimental Research Center, JSC MMC “Norilsk Nickel”, Norilsk, 663300, Russia An extensive data bank of seismic records of shock bumps and rock bursts registered by the seismic station “Norilsk” on the Oktyabrsky and Taimyr mines of the Norilsk copper-nickel ore deposit is analyzed. The analysis has allowed us to reveal the pulsed mode of seismic energy release from stressed zones of ore and rock masses with the motion of induced seismicity fronts in the direction from and towards the centers of corresponding “nuclear” zones following a peculiar motion of an oscillating “pendulum”. Corresponding kinematic estimates are given. It is shown that in predicting catastrophic events the relation between average velocities of induced seismicity fronts and the “seeming” migration rate of seismic events ordered by the time of their occurrence within seismically active zones is important.
1. Введеиие
В последние годы в геомеханике и сейсмологии большое внимание уделяется экспериментальным исследованиям, связанным с изучением механизма катастрофических проявлений горного давления, и, прежде всего, особенностям развития сейсмических и деформационно-волновых процессов в формирующихся очаговых зонах и их окрестностях [1].
В этом аспекте благоприятную возможность представляют измерения, осуществляемые на горнодобывающих объектах, с применением инструментальных геомеханических и геофизических методов, особенно
в местах концентрации напряжений (опорные целики, разделительные массивы и т.п.).
В настоящее время на ряде крупнейших горнодобывающих предприятий России (Норильск, Апатиты, Таштагол, Североуральск и др.) функционируют многоканальные автоматизированные системы оперативного контроля в пределах шахтных полей сейсмической активности, индуцированной ведением подземных горных работ. Получаемая при этом информация о местах концентрации очагов сейсмособытий и динамике изменения их энергетических показателей является в современных условиях неотъемлемой как для выбора техно-
© Опарин В.Н., Востриков В.И., Жилкина Н.Ф., Тапсиев А.П., 2005
-► В
-400
ю
>.
-800
-1200
'•“Г *
\
\
1 ^хта 1 \ 20 3 м
Шах \ га 2 Рудь ик “Тг аймыр ский”
Ру. [(НИК ‘ ОктяЄ рьскк й” Шах га 1
Горн 5ІЙ Сб ЭО с V у V Ша хта 2
Систе лг^Бс ' > льшо "О гор ;та\
Расстояние,м
Рис. 1. План расположения шахт 1, 2 рудников Октябрьский и Таймырский, отрабатываемых с закладкой выработанного пространства (закладочный массив обозначен серым цветом, рудные массивы — диагональной заливкой) (а); тектоническая структура рудной залежи (разрез по оси панели № 9); А — места расположения подземных сейсмопавильонов
логических схем ведения горных работ, так и принятия решения по осуществлению профилактических мероприятий, связанных с разгрузкой участков породных массивов с повышенной концентрацией напряжений [2, 3]. Созданию автоматизированной системы контроля удароопасности участков массивов горных пород на рудниках Норильска способствовали исследования и разработка ВНИМИ, НПО «Сибцветметавтоматика» и ГМОИЦ ОАО ГМК «Норильский никель». Ее активное использование началось, по существу, с 1993 года [4, 5].
Отрабатываемая рудниками Октябрьский и Таймырский часть рудной залежи имеет пологое падение на восток под углом до 10-15°. Горные работы ведутся на
глубинах от 600 м на западе до 1400 м на востоке. Общие размеры выработанных пространств в плане достигают 2.5 км по падению и около 1.0 км по простиранию рудной залежи (рис. 1, а).
При интенсивно развитой тектонике северо-западного простирания рудная залежь имеет сложное, уступообразное строение (рис. 1, б). Основными элементами, определяющими структурное строение залежи медноникелевых руд, являются: Горный сброс, разделяющий горные отводы рудников Октябрьский и Таймырский; зона Большого горста, расположенная между шахтами 1 и 2 рудника Таймырский. Амплитуда смещения рудного тела по Горному сбросу изменяется от 60-70 м на юге до первых метров на севере. В зоне Большого горс-
та суммарная амплитуда смещения рудного тела достигает 150-200 м.
В результате встречного движения меридиональных очистных фронтов сформировались разделительные массивы (РМ): между шахтами 1 и 2 рудника Октябрьский — РМ-1; между шахтой 2 рудника Октябрьский и шахтой 1 рудника Таймырский — РМ-2. Одновременно с меридиональными фронтами РМ-1 разрезан в широтном направлении и отрабатывается также двумя расходящимися широтными фронтами. В настоящее время минимальный размер РМ-1 в широтном направлении составляет 80 м в северной части и 60 м — в южной части. РМ-2 имеет переменную ширину, достигающую в средней части более 100 м.
Сейсмический мониторинг на рудниках Октябрьский и Таймырский осуществляется с 1993 года Центром автоматизированных систем контроля горного давления (ЦАСКГД) на базе сейсмостанции «Норильск». В поле этих рудников расположены 18 подземных сейсмопавильонов. На декабрь 2003 года действующими являлись 16 сейсмопавильонов: 8 — на руднике Октябрьский и 8 — на руднике Таймырский. Контролируемая ими площадь имеет размеры 1.5х2.5 км. Разнос сейсмопавильонов по вертикали составляет 550 м, по горизонтали они разнесены в пределах двух километров. Поверхностные сейсмопавильоны отсутствуют.
В качестве основных параметров, по которым велся анализ сейсмической информации, до недавнего времени использовались следующие:
уровень сейсмической активности — число динамических явлений, произошедших за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;
уровень сейсмической энергии — количество сейсмической энергии, выделившейся за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;
константы известного в сейсмологии закона повторяемости, связывающего количество произошедших динамических явлений с величиной их сейсмической энергии;
максимальный энергетический класс происходящих сейсмособытий;
пространственно-временное распределение зон сейсмической активности;
изменение максимальной плотности сейсмособытий во времени;
градиент нарастания количества сейсмособытий во времени;
градиент роста суммарной энергии во времени и некоторые другие.
По полученным данным ежедневно сейсмостанцией «Норильск» строятся карты сейсмической активности, характеризующие усредненную оценку сейсмической активности за месяц, выдаются каталоги по количеству
и энергии сейсмособытий по шахтным полям. Соответствующая информация активно используется руководством геомеханических служб и рудников Норильского комбината.
Массив горных пород рудника Октябрьский характеризуется наличием шести обособленных в пространстве концентрических зон с ядрами повышенной сейсмической активности. Четыре из них возникли практически с начала наблюдений сейсмостанцией «Норильск» (около 10 лет назад) и сохраняются до сих пор. Причем они имеют свойство со временем мигрировать в пространстве. Однако с 2000 г. их сейсмические «ядра» утратили былую мобильность и фактически стабилизировались по своему месту проявления (рис. 1, а): зона 1 — север РМ-1, панели 4-5, частично панель 6; зона 2 — юг РМ-1, панели 7-8, частично панель 6; зона 3 — РМ-2, панели 7-8; зона 4 — РМ-1, панели 9-10.
В 2001-2003 гг. образовались две новые зоны:
зона 5 — охранный целик вентиляционно-закладочного (ВЗС) и вспомогательного скипового (ВСС) стволов, панели 8-10;
зона 6 — район отработки медистых руд, шахта 1, панели 1-2. Формирование этих зон связано с разрезкой рудных тел на данных участках шахтного поля.
2. Эффект возвратно-поступательного движения фронтов индуцированной сейсмичности
Рассмотрим аспект, связанный с особенностями протекания процесса сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей на примере описанных выше зон повышенной сейсмичности для разделительных массивов РМ-1 и РМ-2. На рис. 2 приведены шесть фрагментов карт распределения помесячного сейсмоэнерговыделения в пределах контролируемого участка в течение 2002 года (один из последних годов повышенной сейсмической активности).
Как видно из представленного рисунка, в течение года наблюдается пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков породного массива с движением фронтов индуцированной сейсмичности заданного энергетического уровня как в направлении от центров соответствующих «ядерных» зон, так и по направлению к ним, т.е. по типу своеобразного колеблющегося «маятника». Наиболее устойчиво в течение времени проявляет себя сейсмическая зона 1 РМ-1, тогда как другие в определенные периоды могут даже исчезать.
Подобный эффект возвратно-поступательного движения фронтов индуцированной сейсмичности от мощных технологических взрывов на Таштагольском руднике был отмечен ранее в работе [6], основанной на предложенном Опариным В.Н. методе сканирующих функций RE^, т) для сферического случая:
Е = 0...25Дж 1111 Е = 25...40Дж Е свыше 40 Дж
Рис. 2. Фрагменты карт помесячного сейсмоэнерговыделения массива горных пород рудника Октябрьский в 2002 г.
ЯЕ (и т) = -
і=0
О
где
О (х) = і ,
Із
( N(t, т) У
Е Е
і=0
\
х = 0, х ф 0,
(1)
t — момент наблюдения; т — временной интервал осреднения индуцированных сейсмособытий с энергией
Еі на удалении ті от центра взрыва; N^, т) — количество зарегистрированных сейсмособытий на интервале ^ -т, t).
Выражение (1) имеет смысл приведенного расстояния до «центра» сейсмоэнерговыделения, мигрирующего от эпицентра взрыва со временем t. По существу здесь обобщено известное в механике понятие центра масс.
Для количественных оценок кинематических характеристик миграционных процессов шахтных сейсмособытий воспользуемся формулой (1) на примере сейсмоактивной зоны 1 разделительного массива РМ-1 рудника
Уровни энергии (зона 1): ■ Е = 201...5100 Дж
Рис. 3. Карта с эпицентрами сейсмособытий, произошедших на руднике Октябрьский в 2002-2003 гг. (а); гистограмма распределения сейсмособытий зоны 1 по трем энергетическим уровням (б); фрагменты для зоны 1 с различными уровнями сейсмической активности (в)
0 4 8 і, мес
Октябрьский. На рис. 3, а изображены все сейсмособытия, произошедшие в районах РМ-1 и РМ-2 за 2002 год, с очерчивающим прямоугольником сейсмоактивной зоны 1, представленной на рис. 3, в с более высоким разрешением для сейсмособытий энергетических классов: 0-80, 81-200 и более 200 Дж. На рис. 3, б дана гистограмма распределения этих сейсмособытий за 2002 год.
Применение формулы (1) осуществлялось относительно фиксированной точки (х0, у0, z0) с координатами осредненного за 2002 год центра сейсмособытий числом ^:
N0 № 0
(Xo, Уo, Ї0) = Е(Хі, Уі, 2і)Еі ЕЕі. (2)
і=1 / і=1
Таким образом, расстояние г вычислялось по формуле:
гі = .
где индекс і относится к номеру сейсмособытия.
На рис. 4, а представлен график миграции центра сейсмоэнерговыделения во времени t для динамических событий, происходивших помесячно в течение 2002 г. (т = 1 месяц). Точки отсчета по временному параметру t также брались через месяц. На рис. 4, б отмечена помесячная траектория движения центра сейсмоэнерговыделения на горизонтальной плоскости (х, у) относительно точки (х0, у0). Первая производная по времени от графика (а) дает скоростную характеристику (в). Как легко видеть из графика рис. 4, в, амплитудные значения скоростной характеристики УЕ^) лежат в диапазоне 10-6-10-5 м/с. Обращает на себя внимание то, что с начала 2002 года наблюдается последовательное уменьшение как амплитуды, так и кажущегося периода колебания функций ЯЕ и УЕ ^) более чем в два раза. Это напоминает характер «одномерных» колебаний твердого тела, закрепленного между двумя пружинками с нелинейной жесткостью, боковые точки закрепления которых движутся по отношению друг к другу (сжимаемый объем). Отмеченное обстоятельство позволяет, очевидно, не только квалифицировать соответствующие объемы массивов горных пород с «режимных» геоме-ханических позиций (сжатия или растяжения, пригрузки или разгрузки), но и оценивать, по-видимому, количественно контактную жесткость взаимодействующих геоблоков данного породного объема.
Рис. 4. Графики помесячной миграции центра сейсмоэнерговыделения для динамических событий 2002 г. в пределах сейсмоактивной зоны 1 рудника Октябрьский (а); траектории его движения в горизонтальной плоскости на уровне продуктивного пласта (б) и радиальной скорости движения помесячного центра сейсмоэнерговыделения (в)
3. Миграция индуцированных сейсмособытий для упорядоченных по моментам их проявления последовательностей
Рассмотрим теперь вопрос о том, существуют ли какие-либо закономерности в развитии индуцированных
'-1лоюооооооосмо)о^оэ^с^^момсмо)1ло,-(о
ч-т-смсо<ооюоооа>ооа>оооот-оосооог;с\і
Т— Т— СМСОчЗ-’^СОГ'-Г'-О^От-СМСО^ЮЮГ'-СО^О
\/к, м/ч
\/к, м/ч 100000 1
Рис. 5. Гистограмма распределения «кажущихся» скоростей миграции смежных по времени сейсмособытий в пределах зоны 1 рудника Октябрьский (а); график изменения «кажущихся» скоростей миграции сейсмособытий для упорядоченной по моментам их проявления последовательности в пределах зоны 1 рудника Октябрьский за январь 2002 г. (б)
сейсмических процессов для упорядоченных по моментам проявления сейсмособытий последовательностей.
Согласно развиваемой в работе [7] теории волн маятникового типа, из блочно-иерархического строения породных массивов следует возможность появления целой группы сопряженных по структурному фактору массива пород медленных деформационных волн, обусловливающих, в том числе, сейсмоэмиссионные процессы за счет поступательного и вращательного движения соответствующего уровня геоблоков — носителей маятниковых волн.
Предполагая, таким образом, наличие статистической связи между отдельными актами сейсмоэмиссии из массива горных пород и актами соударения между геоблоками соответствующего иерархического уровня, логично предложить для описания таких процессов метод «кажущихся» скоростей [6]. Сущность этого метода заключается в следующем. Весь каталог сейсмособытий для определенного объема горных пород представляем в виде последовательности, упорядоченной по времени t проявления этих сейсмособытий:
Ж1 = Ж(х, Уi, Zi, ti), i = 1,2,..., N0, (3)
где N — объем каталога сейсмособытий; Ж1 — энергия; (хг-, у1, zi, ti) — координаты г'-го сейсмособытия, причем ti < ti+1.
Тогда «кажущейся» скоростью миграции ;'-го сейсмособытия назовем величину Vi, определяемую по формуле:
Дг(і, і -1) At(i, і -1)
(4)
где
Дr(i, і -1) = [Ох- - хі_1)2 +
+(Уі- Уі-1)2 +(^ - 2і-1)2]1/2;
Д(і, і - 1) = ti - ti -!.
Очевидно, из общей последовательности (3) можно выбирать подпоследовательности с ограничением по энергетическому параметру W.
Продолжим анализ каталога сейсмособытий по зоне 1 разделительного массива РМ-1. На рис. 5 представлены графики распределения упорядоченной по моментам проявления последовательности сейсмособытий в данной зоне. Как видно из графика, основное количество сейсмособытий «мигрировало» в пределах контрольной зоны с «кажущимися» скоростями (разность координат смежных сейсмособытий, деленная на период времени их проявления) до 800 м/ч, или 0.22 м/с. Причем глобальный максимум отвечает скоростям поряд-
ка 1.7-10-2 м/с. Иными словами, анализируемый скоростной диапазон оценивается порядками 10-2-10-1 м/с.
Любопытно, что отношение глобального максимума VE на рис. 4, в к глобальному максимуму Vk на рис. 5 равно приблизительно 0.93 -10-5/1.7 -10-2 = 0.55 -10-3. Это порядок величин, характеризующий средний уровень раскрытия трещин к диаметрам геоблоков, разделяемых этими трещинами, для участков массивов горных пород, квалифицируемых как критические по напряженному состоянию [7].
Таким образом, представленные результаты позволяют рекомендовать в качестве важного диагностического показателя напряженно-деформированного состояния участков массивов горных пород с позиций их уда-роопасности отношение описанных выше скоростных характеристик во времени:
Х(1) = ^ (I). (5)
ук
Авторы настоящей статьи полагают, что показатель X (5) может оказаться полезным и в сейсмологии для прогнозирования землетрясений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 02-05-64837, № 04-05-65332), РАН (Программа № 13.13).
Литература
1. Физические основы прогнозирования разрушения горных пород // Материалы I-й Междунар. школы-семинара, 9-15 сент. 2001 г., Красноярск / Отв. ред. В.А. Мансуров. - Красноярск: СибГАУ, 2002. - 350 с.
2. Исаев Ю.С., Мулев С.Н. Мониторинг техногенной сейсмичности на шахтах и рудниках // Труды междунар. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - С. 150-156.
3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.Н., Аршавский В.В., Тап-
сиев А.П., ЖилкинаН.Ф., Мулев С.Н. Стратегия развития автоматизированной системы контроля геодинамической безопасности на рудниках ОАО Горно-металлургическая компания «Норильский никель» // Труды междунар. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: Изд-во Института горного дела СО РАН, 2001. - С. 190-195.
4. Яковлев Д.В., Исаев Ю.С., Мулев С.Н. и др. Аппаратно-программный комплекс «Geolfo Trans Sistem (GITS)» в системах гео-динамического и экологического мониторинга // Междунар. конф. «Горная геофизика», 22-25 июня 1998 г., Санкт-Петербург. -Санкт-Петербург: ВНИМИ, 1998. - С. 25-29.
5. Мулев С.Н., Лопатков Д.Г., Яковлев В.А. Геофизический мониторинг рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского ГМК // Сб. трудов семинара «Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений». -Санкт-Петербург: ВНИМИ, 1995. - С. 67-71.
6. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об одном методе сканирования шахтной сейсмологической информации // ДАН. -1993. - Т. 333. - № 6. - С. 784-787.
7. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. II
// ФТПРПИ. - 2000. - № 4. - С. 3-26.
