Анализ сейсмоактивности породного массива рудников Норильского месторождения в период 1994-2005 годы

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

УДК 550.34 + 622.831

Институт горного дела СО РАН

Анализ сейсмоактивности породного массива рудников Норильского месторождения в период 1994-2005 гг

Опарин В.Н.

Тапсиев А.П.

Активное внедрение в системы сейсмического мониторинга цифровой регистрирующей аппаратуры сделали доступными значительные объемы данных об опасных геодинамических процессах в горных массивах. Эта информация существенно облегчает решение прикладных задач, связанных с принятием решений по ведению горных работ, осуществлению профилактических мероприятий по разгрузке локальных участков горного массива от повышенной концентрации напряжений. В связи с этим актуальным является разработка новых подходов к обработке и интерпретации данных сейсмического мониторинга, в которых важными требованиями становятся достоверность, оперативность и высокая степень автоматизации при обработке значительных объемов информации.

Сейсмический мониторинг

Системы контроля геомеханического состояния массива горных пород функционируют на многих крупных горнодобывающих предприятиях России и за рубежом. Основными параметрами, по которым производится, в частности, анализ сейсмической активности являются: её уровень, энергия и удельная энергоемкость; пространственно-временное распределение и др.

Объекты исследования, рудники «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторождения полиметаллов достаточно подробно описаны в [1].

Сейсмический мониторинг на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» осуществляется Центром автоматизированных систем контроля горного давления (ЦАСКГД) на базе сейсмостанции «Норильск». В поле этих рудников расположены 18 подземных сейсмопавильонов. Контролируемая ими площадь имеет размеры 1.52.5 км2. Разнос сейсмопавильонов по вертикали составляет 550 м, по горизонтали они разнесены в пределах двух километров. Поверхностные сейсмопавильоны отсутствуют.

Рис. 1. Гистограммы развития сейсмической активности рудников «Октябрьский» и «Таймырский» за период с 1994 по 2005 гг.: а - уровень сейсмической активности; б - уровень сейсмической энергии; в - удельная энергоемкость сейсмособытия

За время наблюдения с 1994 г. и неполный 2005 г. накопился обширный массив данных, анализируя который можно проследить развитие сейсмической обстановки на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский». На рис. 1 приведены графики, показывающие изменение суммарных сейсмической активности N и сейсмоэнергии E, а также удельной энергоемкости E / N одного сейсмособытия за это время. На графиках можно выделить два периода сейсмической активности: 1994-1999 гг. и 2000-2004 гг., из которых следует, что первый период времени характеризуется относительно небольшой сейсмической активностью, а во втором периоде наблюдается рост параметров сейсмической активности - числа сейсмособытий - на 175% (2004 г. по сравнению с 1995 г.), суммарной сейсмоэнергии - на более чем 600%, и удельной сейсмической энергии одного события - на 530%. Характерным является 2005 г. При снижении сейсмической активности по числу и по суммарной сейсмоэнергии примерно на 42% относительно 2004 г. наблюдается высокий уровень значения удельной энергоемкости одного сейсмособытия. Предполагая, что каждому уровню выделенной энергии соответствует определенный объем горного массива [2], можно судить об уровне структурных блоков и объемах горной массы, активизировавшихся в 2005 г. Ясно, что чем больше уровень выделяемой сейсмособытием энергии, тем большим по размеру структурным элементам или объемом массива он обусловлен [3]. Увеличение числа энергоемких сейсмособытий показывает, что состояние горного массива достигло того уровня, когда горнодобычные работы оказывают свое влияние на все более массивные объемы геосреды. Об этом также говорит и возросшее значение «пиковой» энергоемкости единичных (в год 2-3) сейсмособытий, достигшее в 2004 г. порядка 30000 Дж.

Обработка и анализ банка данных сейсмособытий за неполный 2005 г. показал, что в течение 2005 г. в поле рудников «Октябрьский» и «Таймырский» зафиксировано уменьшение сейсмособытий (в том числе с энергией более 1000 Дж) и их суммарной энергии по сравнению с 2004 г. Крупные сейсмособытия регистрировались в сформированных ранее зонах в поле этих рудников. Зоны сейсмической активности рудника «Октябрьский» практически не меняют своего местоположения в течение последних 7 лет. В поле рудника «Таймырский» также периодически формируются зоны сейсмоактивности в ранее отмеченных местах. Основная часть сейсмособытий зарегистрирована в породах почвы и в кровле рудного тела, что свидетельствует об эффективности проведенных профилактических мероприятий по разгрузке в рудном массиве. Часть сейсмособытий тяготеет к тектоническим нарушениям рудников. Подавляющее число сейсмособытий отмечалось перед фронтом очистных работ, в породах почвы и в рудном теле в южной части РМ-1 (панель 9) и в целике ВЗС-ВСС (панель 10) рудника «Октябрьский».

Рис. 2. Карта сейсмической активности рудников «Октябрьский» и «Таймырский» за 2005 г. с выделенными зонами

Из довольно распределенной картины проявления сейсмоактивности в 1994 г., начиная с 1999 г. и до конца 2004 г., формируются устойчивые в своем проявлении зоны сейсмоактивности с четко очерченными границами (рис. 2). Особенно сейсмоактивен район РМ-1, зоны 1 и 4. Первая зона относится к южной, четвертая - к северной части РМ-1. На южную часть приходится около 50% всех сейсмособытий, регистрируемых по обоим рудникам. В 2004 г. по сравнении с 2003 г. в зоне 1 произошло резкое увеличение удельной энергоемкости сейсмособытия - на 55%. По удельной энергоемкости единичного сейсмособытия этот участок вышел на второе место вслед за 4-ой зоной, но учитывая динамику роста этих параметров, числа событий и их энергию, можно прогнозировать дальнейшее увеличение уровня сейсмоактивности этой зоны с резким креном в сторону «тяжелых» сейсмособытий, то есть высокоэнергетичных. В августе 2005 г. в зоне 1 произошло «знаменательное» сейсмособытие с энергией около 140000 Дж (!) - крупнейшее за весь период с 1993 г. геомеханических наблюдений сейсмостанцией «Норильск». Это при годовых единичных сейсмособытиях с энергией 20000-30000 Дж.

Рис. 3. График смещения годового центра сейсмособытий в период 1994-2005 гг.: а - в плане; б - по глубине

График изменения положения гипотетического годового центра сейсмособытий в период 1994-2005 гг. приведен на рис. 3: в широтном направлении он изменяется в пределах 117 м, в меридиональном - 242 м. Область его изменения находится между РМ-2 и РМ-1ю, где происходит подавляющее число сейсмособытий, и миграция центра зависит от интенсивности ведения очистных работ на участках этих разделительных массивов. Анализ кинематических характеристик сейсмособытий по отдельным зонам

Определение и анализ кинематических характеристик сейсмических процессов в массивах горных пород занимают важное место в оценках геодинамической обстановки. Пространственные и временные параметры распределения сейсмособытий, их интегральные характеристики позволяют оценить геомеханическое состояние отдельных участков горного массива.

В качестве информативных характеристик ниже определяются и используются:

- «кажущаяся» скорость миграции отдельных сейсмособытий для упорядоченных по времени последовательностей их проявления;

- среднемесячная скорость миграции приведенного центра сейсмоэнерговыделения для контролируемых зон массива.

В расчете этих характеристик заключается метод «кажущихся» скоростей, сущность которого состоит в следующем. При поступательном и вращательном движении геоблоков вследствие локального перераспределения напряженного состояния возникают сейсмоэмиссионные процессы [4-9], изменение пространственного положения которых показывает направление и скорость волны смещения или деформации. Считаем, что значительные подвижки крупных геоблоков, которые регистрируются в виде энергоемких сейсмособытий, активируют «жизнь» более мелких блоков, регистрируемых в виде менее энергоемких сейсмособытий, упорядоченных по времени их проявления. Очевидно, из общей последовательности сейсмособытий можно выбирать такие подпоследовательности с ограничениями по энергетическому параметру .

Тогда «кажущейся» скоростью миграции i-го сейсмособытия назовем величину , определяемую по формуле:

,

где - время и координаты i-го сейсмособытия; - время и координаты крупного инициирующего сейсмособытия, которое повлекло за собой ряд мелких по энергоемкости сейсмособытий.

Среднемесячную скорость VЕ миграции центра сейсмособытий вычисляем по формуле:

,

где i = 1, …, 11; Дt0 - время (30 24 3600), сек,

, , ,

где - координаты i-го сейсмособытия; N - количество сейсмособытий за месяц.

В качестве диагностического показателя напряженно-деформированного состояния участков массивов горных пород с позиции их удароопасности предлагается использовать отношение описанных выше скоростных характеристик во времени:

.

Расчет скоростей вызывает определенную сложность, так как автоматизация процесса выделения групп сейсмособытий для вычисления «кажущихся» скоростей затруднен из-за того, что динамический диапазон сейсмособытий по энергии весьма большой, инициирующее сейсмособытие само может быть инициируемым, когда является афтершоком более крупного сейсмособытия; число сейсмособытий достаточно велико (в 2004 г. оно превысило 11000). В настоящее время выделение таких групп производится вручную, а для расчета скоростей написаны соответствующие макросы в электронной таблице Excel.

Для проверки критерия был выполнен крупный цикл геомеханико-геофизических исследований на рудниках Талнахско-Октябрьского месторождения полиметаллов, в результате которого впервые удалось доказать, что предложенное выше отношение скоростей в пределах зон концентрации напряжений для шахтных полей (разделительные массивы, опорные целики) является важным показателем перехода контролируемых участков в удароопасное состояние. Расчет кинематических характеристик за период 1994 г. - неполный 2005 г. был проведен для всех выделенных зон (рис. 2). Средние значения за 2004 г., для примера, приведены в табл. 1, из которой видны существенные различия в значениях кинематических параметров, и в частности параметра .

Таблица 1.

Для сравнительного анализа на рис. 4 приведены графики рассчитанных кинематических характеристик для зон 1, как самой сейсмоактивной, и 3 с пониженной сейсмической активностью. Из приведенных графиков очевидны порядковые отличия диагностического параметра для этих зон. Для зоны 1, начиная с 1999 г. плавно уменьшается, что говорит о возрастании напряжений на данном участке шахтного поля, достигая минимального значения в 2001 г., далее минимальный уровень этого параметра удерживается вплоть по августа 2005 г. сейсмоэнерговыделение напряжение шахтный удароопасный

Этапным событием в апробации предложенного параметра в качестве критериального для прогнозирования динамических событий явился беспрецедентно крупный толчок в районе ВЗС-ВСС рудника «Октябрьский», который произошел 21 августа 2005 г. (его энергия составила около 140000 Дж). Это было крупнейшее динамическое событие за весь период с 1993 г. геомеханических наблюдений сейсмостанцией «Норильск». Сейсмособытие произошло в панели 10 восточного фланга отработки предохранительного целика ВЗС-ВСС рудника «Октябрьский».

Событие было квалифицировано как горный толчок в массиве горных пород почвы рудного тела. Расследованием установлено, что горные работы в данном районе велись на основании и в соответствии с проектно-технической и нормативной документацией. В горных выработках, прилегающих к гипоцентру толчка, выявлено нарушение крепи, отмечено обрушение ранее отслоившихся участков горных пород с кровли и боков. При этом в выработках, расположенных в районе сейсмособытия, были выполнены все мероприятия по приведению краевой части массива в неудароопасное состояние, а в некоторых, определенных проектом, имелись разгрузочные скважины.

На рис. 5 приведены графики помесячного расчета параметра . В период июль-август значение достигло минимума. Момент горного толчка отмечен вертикальной пунктирной линией. В сентябре отношение увеличилось. Таким образом, данный участок массива «сбросил» избыточную энергию и начал медленно выходить из предельного напряженного состояния.

Отмеченный результат был получен с использованием оригинального алгоритма, разработанного в лаборатории горной геофизики ИГД СО РАН, обработки банка данных по сейсмособытиям, зарегистрированным Центром автоматизированных систем контроля горного давления Норильского ГМК.

Рис. 4. Графики кинематических характеристик для 1 и 3 зон в период 1994-2005 гг.:

а - «кажущаяся» скорость миграции отдельных сейсмособытий; б - среднегодовая скорость миграции приведенного центра сейсмособытий; в - отношение этих скоростей; г - в уменьшенном по оси ординат масштабе

Выводы

Выполненный анализ шахтной сейсмологической информации по рудникам Норильского месторождения за период 1994-2005 гг. показывает, что на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» наблюдается рост уровня сейсмической активности и быстрое возрастание суммарного сейсмоэнерговыделения массивов руд и пород. Это свидетельствует о возрастании удельного веса сейсмосбытий более высокого энергетического уровня.

В массивах горных пород рудников в общем случае можно выделить восемь зон повышенной сейсмической активности, пять из которых стабильно проявляют себя во времени.

Рис. 5. Графики поведения диагностического параметра VЕ / Vк для зон 1 (сплошная линия) и 3 (пунктирная линия) в 2005 г. до и после сейсмического толчка мощностью 1.4·105 Дж в зоне 1

Особенно активно ведет себя южная часть разделительного массива 1, зона 1, на долю которой приходится до 72% всех сейсмособытий за год на руднике «Октябрьский», а учитывая динамику роста уровня и удельной энергоемкости сейсмособытий в этой зоне можно предположить, что геодинамическую обстановку на руднике «Октябрьский» в ближайшее время будет определять именно эта зона.

В условиях больших глубин рудников Талнахско-Октябрьского месторождения впервые доказано, что изменение отношения скоростей движения приведенного центра сейсмоэнерговыделения и «миграции» отдельных сейсмособытий для упорядоченной по времени их проявления последовательности в пределах зон концентрации напряжений шахтных полей (опорные целики, разделительные массивы) является важным диагностическим показателем напряженно-деформированного состояния контролируемых участков массива, который может быть эффективно использован при анализе и прогнозировании перехода этих участков массива в удароопасное состояние.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 04-05-65332.

Список литературы

1. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторождения в 2003 г. Часть I. Сейсмический режим // ФТПРПИ. - 2004. - № 4.

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

3. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. - М.: Наука, 1993.

4. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторождения в 2003 г. Часть II. Рудник Октябрьский // ФТПРПИ. - 2004. - № 5.

5. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторождения в 2003 г. Часть III. Рудник Таймырский // ФТПРПИ. - 2004. - № 6.

6. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. и др. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторождения в 2003 г. Часть IV. Влияние площадей подработки налегающих породных массивов // ФТПРПИ. - 2005. - № 1.

7. Опарин В.Н., Востриков В.И., Жилкина Н.Ф. и др. О пульсирующем режиме сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей // Тр. международной конф. «Проблемы и перспективы развития горных наук», 1-5 ноября, 2004 г. - Новосибирск: Изд. ИГД СО РАН, 2005.

Аннотация

В условиях больших глубин рудников Талнахско-Октябрьского месторождения на основе анализа обширного банка данных зарегистрированных сейсмособытий показано, что изменение отношения скоростей движения приведенного центра сейсмоэнерговыделения и «миграции» отдельных сейсмособытий для упорядоченной по времени их проявления последовательности в пределах зон концентрации напряжений шахтных полей (опорные целики, разделительные массивы) является важным диагностическим показателем напряженно-деформированного состояния контролируемых участков массива, который может быть эффективно использован при контроле перехода этих участков массива в удароопасное состояние.

Размещено на Allbest.ru