Разработка методики региональной оценки сейсмической активности горного массива при отработке удароопасных руд Талнаха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Жилкина, Нина Федоровна

• Жилкина, Нина Федоровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жилкина, Нина Федоровна

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 11 для рудников Талнаха

1.1. Опыт оценки сейсмической активности при отработке мощных 11 рудных месторождений, опасных по горным ударам

1.2. Особенности отработки и формирования геодинамической 20 активности на рудниках Талнаха

1.3. Цель, задачи и методы исследований

Глава 2. Исследование особенностей сейсмической активности при 37 развитии горных работ на рудниках Талнаха

2.1 Анализ связи сейсмоактивности массива с его напряженным 37 состоянием, технологическими условиями и геолого-тектоническим строением

2.2 Аппаратура для регионального прогноза удароопасности

2.3 Совершенствование методов оценки и выделение типов 44 динамических явлений сейсмическим методом

2.4 Общий ход сейсмического процесса на рудниках в 1994-2003 гг.

2.5 Некоторые особенности развития процесса сейсмоэнерговыделения шахтных полей в 2002-2003 гг.

2.6 Пульсирующая сейсмичность

2.7 Выводы по главе

Глава 3. Разработка методики региональной оценки и прогноза сейсмической активности массива горных пород

3.1. Выбор методов определения координат очагов сейсмических 72 событий и оценки их энергии

3.2 Тарировочные взрывы и особенности скоростей распространения 78 волн в массиве

3.3. Определение опасной зоны крупных сейсмических событий

3.4 Общий подход к региональной оценке сейсмической активности 90 горного массива при отработке удароопасных руд Талнаха

3.5. Разделение активных зон по степени удароопасности - 94 долгосрочный прогноз

3.6 Выбор основных характеристик сейсмического процесса для 97 краткосрочного прогноза

3.7. Опыт применения краткосрочного прогноза по комплексному 117 параметру F

3.8. Организация работ по региональному прогнозу удароопасности 13 8 Заключение 142 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики региональной оценки сейсмической активности горного массива при отработке удароопасных руд Талнаха»

Актуальность работы. Существующие нормативные документы по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам, требуют создания системы непрерывного контроля над состоянием массива горных пород.

В настоящее время одним из наиболее информативных методов диагностики и инструментального контроля над процессами изменения напряженного состояния в региональном плане является сейсмический метод. Метод основан на регистрации упругих колебаний массива горных пород, возбуждаемых при перемещениях блоков, при образовании и развитии трещин в горном массиве. Метод позволяет одновременно сканировать большие участки горного массива, фиксировать параметры потока динамических явлений, их пространственное распределение, величину сейсмической энергии упругих импульсов, частотный спектр и другие параметры, характеризующие сейсмический режим шахтных полей, что позволяет определить динамические предвестники опасных геодинамических явлений. Особенностью метода является возможность оценки напряженности недоступных участков горного массива под влиянием ведения горных работ, но в то же время, этот метод фиксирует не само горное давление, а лишь его динамические, наиболее опасные проявления.

Данная особенность метода, большие различия подходов к определению характеристик горных ударов и разнообразие горно-геологических условий различных шахт и рудников затрудняют интерпретацию данных сейсмического мониторинга и прогноз развития сейсмической активности. В результате на сегодняшний день не существует унифицированной методики обработки и интерпретации данных сейсмических наблюдений с целью прогноза удароопасности. На каждом горнорудном предприятии существуют свои особенности проявления сейсмической активности, свой сейсмический режим.

Наиболее подробные исследования сейсмичности массива горных пород развиваются во ВНИМИ, ИФЗ, МГГУ, ГОИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН и др. Важную роль в понимании природы и характеристик сейсмической активности на рудниках сыграли работы Г.А. Соболева, Ю.В. Ризниченко, В.А. Смирнова, А.Н. Шабарова, А.А. Филинкова, B.C. Ломакина, B.C. Куксенко, А.А. Козырева, Н.Н. Мельникова, В.Н. Опарина, И.М. Петухова, С.В. Цире-ля, С.Н. Мулева и др. В этих работах отражены важнейшие положения и теории формирования геодинамических явлений, имеющих признаки сейсмических событий, составляющих основу шахтной сейсмологии.

Анализ результатов этих исследований, а также опыт работы рудников ГМК «Норильский Никель» позволил определить направление научного поиска по оценке параметров сейсмособытий, проявляющихся в тектонически-напряженном горном массиве при интенсивной отработке рудников «Октябрьский» и «Таймырский», сформулировать задачи исследований.

Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планом научно-исследовательских работ ВНИМИ, предусмотренным оказанием научно-технической помощи ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (1993-2007 гг.) и по собственной инициативе автора.

Целью работы является разработка методики региональной оценки сейсмической активности горного массива при отработке удароопасных руд Талнаха.

Идея работы заключается в использовании пространственно-временных параметров сейсмического процесса и закона повторяемости сейсмических событий, регистрируемых микросейсмическим методом в низкочастотном диапазоне упругих колебаний, для региональной оценки сейсмической активности и анализа формирования сейсмоактивных участков горного массива в зоне влияния горных работ.

Задачи исследований: выявить условия и особенности формирования сейсмоактивных участков горного массива в зоне влияния горных работ; исследовать параметры проявлений сейсмической активности и установить связи между параметрами сейсмической активности и жесткостью блоковых структур при подработке их очистными работами; разработать методику региональной оценки и прогноза сейсмической активности горного массива при отработке удароопасных рудников «Октябрьского» и «Таймырского». Методы исследований.

Работа выполнялась методами пространственно-временного и энергетического анализа параметров сейсмических событий, регистрируемых сетью сейсмических датчиков в режиме непрерывного мониторинга в условиях глубоких рудников Талнаха, статистической и аналитической обработки полученных результатов.

Научные положения, выносимые па защиту:

1. Сейсмическая активность горного массива зависит от размеров и конфигурации отработанных участков и подработки блоковых структур горного массива, причем с ростом степени отработки шахтных полей миграция зон сейсмической активности затухает и устанавливается пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей.

2. Наибольшая сейсмическая активность глубоких рудников Талнаха концентрируется в наиболее жестких участках горного массива - разделительных и охранных целиках, которые принимают на себя основную нагрузку вышележащей толщи и работают в режиме, близком к упругому деформированию.

3. Оценка сейсмической активности на глубоких рудниках обеспечиваются использованием пространственно-временного анализа параметров сейсмических событий, регистрируемых сетью сейсмических датчиков в режиме непрерывного мониторинга, причем наклон графика повторяемости должен использоваться для выделения зон сейсмической активности и долгосрочного прогноза, а комплексный параметр, учитывающий частоту и энергию сейсмических событий в течение месяца, - для оценки текущей сейсмической опасности и ее краткосрочного прогноза.

Научная и практическая новизна работы заключается в следующем:

- установлены параметры системы сейсмологического мониторинга, обеспечивающие непрерывный контроль состоянием на глубоких рудниках Талнаха: для регионального прогноза сейсмоактивности горного массива рудников могут быть использованы динамические явления с энергией сейс-мособытий порядка 102Дж и выше, при этом частотный диапазон регистрируемых колебаний упругих волн для данных величин энергий изменяется от единиц герц до 120 Гц;

- выявлены особенности записей упругих волн, вызванных динамическими формами проявлений горного давления, амплитуда которых в три раза превышает амплитуду технологических помех для условий рудников Талнаха;

- определено месторасположение пунктов наблюдений, входящих в сейсмическую сеть, рудников «Октябрьский» и «Таймырский», исходя из радиуса реальной чувствительности канала регистрации, с оценкой уровня технологических помех и минимальной сейсмической энергии явлений, подлег жащих контролю на рудниках;

- разработана методика регионального прогноза удароопасности шахтных полей рудников Талнаха, основанная на непрерывном контроле сейсмической активности, заключающаяся в выявлении зон, потенциально опасных по динамическим формам проявления горного давления.

- установлено, что интервал длительностью около 30 суток оптимален для оценки удароопасности по параметрам сейсмической активности;

- выявлен пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей, заключающийся в периодической (с периодами

2-3 месяца) миграции от центра и к центру зон максимальной сейсмоактивно-сти;

- на основании изучения автокорреляций временных рядов сейсмической активности разработан комплексный параметр F, пространственно-временного сейсмического процесса, учитывающий частоту и энергию сейсмических событий, а также их изменения в течение месяца и позволяющий давать наиболее обоснованный прогноз удароопасности на недельный период;

- изучены изменения наклона графика повторяемости в зонах сейсмической активности рудников «Октябрьский» и «Таймырский» и получены критические значения наклона для каждой сейсмоактивной зоны;

- разработана технология построения карт регионального прогноза, которые характеризует повышенную удароопасность сейсмически активных зон шахтного поля и их миграцию в процессе развития горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются значительным объемом шахтных наблюдений параметров сейсмических событий на двух рудниках по 18-ти сейсмопавильонам, расположенныл ми на площади порядка 9 км , разнесенные по глубине от 450 до 1300м, обработкой и анализом более 80000 измерений.

Практическое значение работы заключается в повышении безопасности и эффективности горных работ за счет непрерывного контроля сейсмической активности в зонах ведения очистных работ. Разработанная методика используется при отработке рудных залежей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» для выявления опасных участков и оценки эффективности проводимых региональных профилактических мероприятий по приведению горного массива в неудароопасное состояние. На руднике «Скалистый» применение методике находится на стадии внедрения.

Реализация работы. Результаты исследований вошли составной частью в нормативные документы: «Методику контроля удароопасности массива горных пород микросейсмическим методом», Норильск, 1999 г.; «Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам, Норильск, 2001 г.»; «Методику выделения удароопасных участков массива горных пород микросейсмическим методом», Норильск, 2006 г., и используются техническими службами рудников ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ряде всероссийских и международных научно-технических конференций, в том числе «Оценка современных достижений в области безопасности удароопасных месторождений, методам прогноза и предупреждения горных ударов»Ю Таштагол. 1999 г.; «Техногенная сейсмичность при горных работах», Апатиты, 2000, 2003 г.; международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», октябрь 2001 г., Новосибирск; конференции «Фундаментальные проблемы техногенной геосреды», октябрь 2006 г., Новосибирск; конференции «Геомеханика и геофизика», октябрь 2006, г. Иркутск, а также заседаниях секции Ученого совета по геомеханике ВНИМИ (С-Петербург 1999 - 2007 гг.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач и разработке методики исследований, организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский», анализе результатов исследований с установлением закономерностей формирования сейсмически активных зон и получении основных научных результатов:

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и приложения, и изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 15 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Жилкина, Нина Федоровна

2.7 Выводы по главе

1. Проведен анализ связи сейсмоактивности массива с его напряженным состоянием, технологическими условиями и геолого-тектоническим строением, установлено, что приблизительно 70%, а суммарная выделившаяся энергия в зонах тектонических нарушений в 2-3 раза превышает энергию, выделившуюся в остальной части шахтных полей.

2. Сформулированы основные требования к сейсмической аппаратуре для регистрации сейсмособытий на рудниках Талнаха, в частности показано, что частотный диапазон должен составлять 250 Гц, динамический диапазон - 120 дБ, усиление - 60 дБ, максимальная погрешность отсчета времени - не более 1 мс и т.д.

3. Выполнен анализ шахтной сейсмологической информации по рудникам Норильского, месторождения, накопленной с 1993 по 2003 гг. Отмечено, что в сейсмических режимах рудников "Октябрьский" и "Таймырский" для периодов 1994-2001 гг. и 2002 -2003 гг. наблюдается существенное отличие: в последние годы впервые проявилась тенденция быстрого возрастания суммарного сейсмоэнерговыделения массивов руд и пород на фоне доминирующей тенденции уменьшения общего количества сейсмособытий. Это свидетельствует о возрастании удельного веса сейсмосбытий более высокого энергетического уровня по сравнению с ранее проявлявшимися.

4. Установлено, что массив горных пород рудника "Октябрьский" в настоящее время имеет шесть обособленных в его пределах концентрических зон с ядрами повышенной сейсмической активности, четыре из которых возникли более десяти лет назад на месте положения разделительных рудных массивов между смежными шахтами.

5. В условиях больших глубин Талнахско-Октябрьского месторождения полиметаллов обнаружен пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей. Движение фронтов индуцированной сейсмичности в пространстве вокруг очаговых зон концентрации напряжений имеет тип колеблющегося "маятника" со скоростями порядка 106 — 10 ~5 м/с в радиальных от центров сейсмоэнер-говыделения направлениях и "кажущимися" скоростями миграции смежных во времени сейсмособытий (в их упорядоченной по моментам проявления последовательности) - порядка Ю-2 -Ю-1 м/с.

6. Показано, что с начала 2002 г. наблюдается последовательное уменьшение как амплитуды, так и кажущегося периода колебания характеристик центров сейсмовыделения RE и VE(t) 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. Проведенные с помощью предложенного метода оценки контактной жесткости взаимодействующих геоблоков контролируемого породного объема показывают рост жесткости главных опорных элементов -разделительных целиков. Дополнительным подтверждением данного вывода является проведенный анализ сдвижения в районе расположения южной части разделительного целика РМ-1 измерения скоростей продольных волн с помощью тарировочных взрывов.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

3.1. Выбор методов определения координат очагов сейсмических событий и оценки их энергии

Определение координат очагов сейсмических событий. Локализация координат гипоцентра динамических событий является важным этапом в осуществлении регионального прогноза удароопасности. В сейсмологии существует целый ряд методов определения координат очагов землетрясений: метод фиктивных скоростей Вадати, метод засечек, метод эпицентралий, метод азимутов, метод первых вступлений и др. [9, 34, 67, 85].

Для землетрясений точность определения координат в несколько километров или 10% от расстояния до сейсмостанции считается допустимой, а в случае определения координат динамических явлений в шахтах и рудниках должна быть не ниже первых десятков метров. Поэтому применение методов, основанных на использовании разницы времени прихода продольных и поперечных волн, для определения координат горных ударов затруднено из-за сложностей при выявлении вступления поперечных волн. На больших расстояниях ошибки определения времени вступления поперечной волны по отношению к разнице времени пробега продольной и поперечной волн составляют малый процент. На малых базах (очаг динамического явления - сейсмический пункт регистрации) наблюдается иная картина. Относительная ошибка значительно возрастает, вступление поперечных волн происходит на фоне интенсивных колебаний продольных волн различного типа, поэтому их выделение затруднено. Проведёнными исследованиями установлено, что при горных ударах, происходящих при разрушениях целиков, поперечная волна практически отсутствует; её трудно выделить даже в помощью поляризационного анализа колебаний. Ошибки в определении вступлений поперечной волны в десятые доли секунды дают значительные расхождения в определении координат очага горного удара. Поэтому принят метод, основанный на использовании времени прихода первых вступлений продольных волн.

Исследования на шахтах СУБРа, проведённые B.C. Ломакиным, показали что метод азимутов для определения местоположения динамического события не всегда позволяет верно определить азимут. Поэтому он рекомендуется как вспомогательный для ориентировочной оценки направления на очаг. Для определения координат очага горного удара был использован метод первых вступлений, аналогичный методу засечек. Обработка этим методом заключается в определении времени первых вступлений продольных волн в каждой точке наблюдений. Время вступления на ближайшую к очагу точку принимается за условное время к очагу.

Время в очаге должно быть одинаковым по всем точкам наблюдения. Расхождения показывают на допущенные ошибки в определении времени вступления продольной волны или на неверно принятые значения скорости. При незначительных расхождениях необходимо определить средние значения и произвести корректировку координат очага динамического события.

Недостатком данного метода следует считать то обстоятельство, что внутри предполагаемой зоны возникновения динамического явления скорость продольной волны принимается постоянной, хотя в действительности это условие не всегда соблюдается. При неравенстве скоростей в различных направлениях зоны влияния (окружность) может быть неправильной формы. В случае анизотропии скоростей желательно иметь зону предполагаемого очага (окружность) возможно меньшего радиуса.

Другой проблемой этого метода является необходимость как можно более точного определения момента вступления волн. Проблема определения первого вступления на фоне помехи, а именно такой вид имеет сейсмограмма, представляет собой сложную задачу из области распознавания образов и, зачастую, не имеет однозначного решения.

Многолетний опыт работы автора и литературные данные показывают, что наилучших результатов в данном вопросе можно достичь при комплексном подходе с использованием автоматического (машинного) определения момента первого вступления при условии его контроля и корректировки со стороны оператора. В нашем случае определение момента вступления р-волны проводится в два этапа: на первом - программа по заданному алгоритму определяет возможный момент и выводит часть сейсмограммы с данным моментом на терминал; на втором этапе интерпретатор либо подтверждает машинный выбор, либо находит другой момент. Высокое качество определения момента первого вступления достигается при высокой частоте дискретизации и большом динамическом диапазоне регистрации сигнала.

Согласно методу первых вступлений определение координат гипоцентра сейсмического события должно производиться на основании решения уравнения:

Х0-X;)2 + (У0 - УО2 + (Z<>- Zi)2 =VBi2ti2, (3.1) где Хо, Уо, Zo - координаты очага; X;, У,-, Z, - координаты i-ro датчика (павильона); VBj - скорость распространения р-волны от очага до датчика; tj = -То - время распространения волны от очага до датчика.

Для решения уравнения (3.1) существует целый ряд алгоритмов, среди которых наиболее точными являются алгоритмы групповой обработки, одновременно учитывающие сигналы от множества событий, произошедших в одной области горного массива.

При невысокой точности определения времен первого вступления to,-наиболее простым является алгоритм SPAM (метод семи точек) [Горное бюро США], наименее чувствительный к грубым ошибкам определения toi- По рекомендации ВНИМИ тот алгоритм был выбран в качестве основного основным при вычислении координат гипоцентров. Главным достоинством данного алгоритма является его устойчивость, в то же время он обладает невысокой точностью, в частности он «притягивает» отдаленные события к рудному телу.

Данный алгоритм нахождения (Xo,Yo,Zo,tg) реализован в программе SPAM, которая используется для определения координат сейсмических явлений на рудниках Октябрьский и Таймырский на АПК РЕГИОН. Для получения наилучших результатов расчет ведется по первым вступлениям ближайших к сейсмическому событию сейсмопунктов, причем для повышения точности расчетов необходимо по возможности выбирать сейсмопункты, окружающие сейсмическое событие с разных сторон.

Максимальная погрешность определения координат отдельного события составляет ± 50 м. При этом, если не проводилось специальных экспериментов по уточнению координат, то погрешность определения координаты Z принимается AZ = 50 м. Погрешность определения горизонтальных координат X и Y принимаются в зависимости от положения гипоцентра сейсмического события: ЛХ = AY = 50 м в местах впервые произошло крупное сейсмическое событие и на границах рудного поля, 25 м - в остальных местах и 15 м - в местах, где проводились тарировочные взрывы (см. ниже).

В то же время, так как поверхностных сейсмопавильонов на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» в настоящее время нет, поэтому ошибка по вертикальной составляющей может быть и больше. Таким образом для получения более надёжных координат очагов динамических явлений на рудниках Октябрьского месторождения необходимо иметь дополнительные пункты наблюдений от плоскости отрабатываемых богатых руд по поверхности.

За годы применения данного алгоритма под руководством автора был разработан ряд приемов, повышающих точность расчетов, в состав выработанных приемов входит обязательное расположение принимаемых во внимание датчиков вокруг сейсмособытие, перебор нескольких вариантов, выбор начальных расчетных скоростей в зависимости от участка рудного поля и т.д.

Оценка энергии сейсмических событий. Определение сейсмической энергии динамических явлений в зависимости от величины выделившейся энергии необходимо с целью различия их по степени проявления в горных выработках и проявления динамического явления использовать эти данные для оценки возможного механизма, и регионального прогноза удароопасно-сти шахтных полей. Исследованиями на угольных шахтах установлено, что доля сейсмической энергии в общем балансе энергии выделившейся при горном ударе составляет не более 5-10% [64]. В сейсмологической практике применяются разные способы определения сейсмической энергии [65-67]. Расчёты производились для землетрясений с энергией 105Дж и выше. Энергии горных ударов, происшедших на рудниках «Таймырский» и «Октябрьский» ниже указанного уровня и максимум составляет 105Дж.

Таким образом, проведенные исследования показали, что на малых ги-поцентральных расстояниях, сравнимых с размерами шахтных полей, затухание сейсмических волн можно принять равным 1/R (R - гипоцентральное расстояние до точки наблюдения, которое изменяется в пределах 0,3 - 2 км). Для больших расстояний необходимо учитывать поглощение за счёт неидеальной упругой среды. Следует иметь в виду, что для слабых сейсмических событий, преобладающих на рудниках Октябрьского месторождения, когда преобладающая частота выше 20 Гц, затухание увеличивается за счёт поглощения высокочастотных компонент спектра колебаний.

При узком динамическом диапазоне приема сигналов величина сейсмической энергии Е определяется по длительности сейсмических колебаний т. Точность определения длительности сигнала главным образом зависит от выбора момента окончания колебаний. Определение момента окончания сигнала представляет задачу, аналогичную определению момента его вступления и решается теми же методами (амплитуда полезного сигнала в 2,5-3 раза больше амплитуда фоновой помехи). Основные отличия заключаются в существенной зависимости точки, принимаемой за окончания сигнала от фильтрации низкочастотных колебаний.

На основании опыта работы СУБРа и проведенной проверки для условий рудников Талнаха оценку энергии рекомендуется осуществлять по формуле:

Е= 174 * т2'76 [Дж] (3.2) где т - средняя длительность сигнала по всем датчикам, зарегистрировавшим данное сейсмическое событие, с. При расчете среднего значения крайние значения сверху и снизу отбрасываются. Математически подобный способ вычисления является компромиссом между обычным параметрическим подходом, в котором наиболее распространенной средней величиной является математическое ожидание, и непараметрическим подходом, обычно ориентированным на использование медианы.

Расчетная энергия выражается в точных единицах (Джоулях), но фактически она является "относительной энергией", поскольку точно неизвестно, какая доля энергии разрушения переходит в сейсмическую. Важно то, что данный параметр определяется для событий с разной энергией по одной технологии, что позволяет правильно оценивать соотношение энергий сейсмических колебаний от событий с малой и большой энергией.

Вместе с этим, как и в «большой сейсмологии» [27, 62, 74], существует проблема точности определения энергии. Ошибка нахождения энергии складывается из неточности нахождения момента окончания колебаний, в первую очередь зависящей, как указывалось выше, от уровня фильтрации низкочастотных колебаний, и вариации значений констант, входящих в уравнение (3.2). Эти константы зависят от множества факторов, из которых главным является добротность области горного массива, в которой произошло сейсмическое событие. Чем ближе режим деформирования к упругому, тем выше добротность и тем больше продолжительность колебаний. Поэтому отмечаемый в последнее время рост длительности (и энергии) колебаний на наиболее удароопасных участках, может быть отчасти связан с не с увеличением энергии самых динамических событий, а с общим ростом напряженности этих зон.

3.2. Тарировочные взрывы и особенности скоростей распространения волн в массиве

Как указывалось выше, одной из важных проблем является трудность точного определения координат гипоцентров сейсмических событий, связанная с целым рядом факторов - недостаточно частой дискретизацией сигналов, малым динамическим диапазоном, особенностями сейсмической сети, трудностью построения скоростного разреза рудника (меняющегося во вре- . мени из-за ведения горных работ и изменений НДС массива), а также применения устойчивого, но неточного алгоритма SPAM-Для уточнения скоростей распространения волн в сложной среде, а также оценки погрешностей определения координат была проведена серия тарирочных взрывов.

Ее методика состояла в проведении камуфлетных взрывов (масса зарядов 15-50 кг) в заданных точках южной части РМ-1. При проведении тариро-вочных взрывов вычисление координат сейсмических событий производилось в два этапа. На первом этапе с помощью алгоритма SPAM с равными скоростями устанавливается приблизительные координаты сейсмических событий, при этом в качестве общей скорости используется средняя скорость по всем тарировочным взрывам и всем сейсмопавильонам.

Тарировочные взрывы производились в первые 10 минут отрезка циклограммы, отведенного для производства взрывных работ, при этом остальные взрывные работы на всех рудниках производятся после тарировочного взрыва. Мастер, производивший тарировочный взрыв сообщал об окончании его проведения диспетчеру, и диспетчер дает разрешение на проведение прочих взрывных работ. Если по каким-то причинам в течении 15 минут запланированный тарировочный взрыв не был проведен, то его проведение отменялось и переносилось на другой день.

Для получения отметки момента взрыва использовалась аппаратура ТАППС (рис. 3.1), запускаемая при разрыве магистрального провода, намотанного на заряд ВВ.

Запал шпура, который взрывается первым

Магистральный провод

Петля магистрального провода

ТАППС Т

Вход блока дискриминатора

Источник напряжения (1 В)

Телефонная распределительная коробка

Рис.3.1. Схема фиксации момента начала детонации тарировочного заряда ВВ

В момент взрыва боевика происходит разрыв петли, напряжение изменяется скачком до нулевого значения. Это ступенчатое изменение значения служит отметкой момента взрыва. На сейсмограмме отметка момента взрыва отражается в виде ступеньки (—t). Технические параметры аппаратуры позволяют считывать время с точностью 0,02с. Зная координаты взрыва и каждого пункта наблюдений, по известной формуле Rn = {хл +0>я -,yn)2 +(z„ -z0)2 , вычислялось расстояние «взрыв - пункт наблюдения». По сейсмограммам определялись времена пробега «tp» продольной волны для каждого пункта. Затем по известному расстоянию и времени пробега рассчитывались скорости продольной волны в каждом направлении

Vpn = R„/ tp.

Результаты тарировочных взрывов, рассчитанные работниками сейс-мостанции при участии и под руководством автора, приведены в таблицах 3.1 и 3.2. Данные расчетов представлены в двух формах, ибо взрывание осуществлялось с помощью ДШ, и задержка между взрыванием ЭД, определяемая длиной ДШ и его скоростью детонации, и взрыванием заряда находилась в диапазоне от 3 до 4 мс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные сейсмологические исследования позволили разработать способ регионального прогноза удароопасности для специфических условий Октябрьского месторождения Норильского промрайона на основе непрерывного контроля сейсмической активности, заключающийся в выявлении областей (зон) шахтных полей, потенциально опасных по горным ударам, путем построения карт сейсмической активности. Это позволило решить крупную научно-техническую задачу обеспечения эффективной и безопасной отработки на больших глубинах богатых руд, склонных и опасных по горным ударам.

Установлен временный интервал учета данных сейсмической активности для объективного осуществления регионального прогноза и выявления миграции удароопасных зон в процессе ведения горных работ. Обоснована возможная и необходимая периодичность построения карт сейсмической активности. Разработана методика построения карт сейсмической активности. Сейсмическая активность характеризует потенциальную удароопасность областей (зон) шахтных полей в региональном плане в пределах сети сейсмических пунктов наблюдений.

Сформулированы основные особенности сейсмических исследований применительно к геологическим и горнотехническим условиям отработки шахтных полей месторождения. Определены комплектность и основные технические характеристики сейсмологической аппаратуры, необходимой для осуществления регионального прогноза удароопасности шахтных полей.

Разработана и внедрена в практику рудников "Октябрьского" и "Таймырского" организационная структура прогноза удароопасности. В результате внедрения региональный прогноз стал неотъемлемым звеном технологического процесса при отработке богатых руд Октябрьского месторождения, рудники которого имеют большие площади. Площади шахтных полей, охваченные региональным прогнозом, постоянно увеличиваются, геологические и горно-технические условия отработки усложняются, поэтому внедрение способа регионального прогноза удароопасности позволило получить не только положительный производственный и социальный эффект, но и экономическую эффективность.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

- Показано, что использование сейсмической активности позволяет осуществлять оценку удароопасного состояния горных пород. С изменением используемых энергетических уровней явлений изменяются размеры областей необходимого контроля категории удароопасности. Автором выявлены характерные особенности записей упругих волн, позволяющие выделить динамические проявления горного давления среди прочих динамических явлений.

- Установлено, что для регионального прогноза удароопасности в пределах шахтных полей Октябрьского месторождения могут быть использованы динамические явления с сейсмической энергией порядка 102Дж и выше. Показано, что частотный диапазон регистрируемых колебаний упругих волн для данных величин энергий изменяется от единиц герц до 120Гц.

- Показано, что сейсмическая активность горного массива зависит от размеров и конфигурации отработанных участков и подработки блоковых структур горного массива, причем с ростом степени отработки шахтных полей миграция зон сейсмической активности затухает и устанавливается пульсирующий режим сейсмоэнерговыделения из напряженных участков шахтных полей.

- Установлено, что наибольшая сейсмическая активность глубоких рудников Талнаха концентрируется в наиболее жестких участках горного массива - разделительных и охранных целиках, которые принимают на себя основную нагрузку вышележащей толщи и работают в режиме, близком к упругому деформированию.

- Разработан способ регионального прогноза удароопасности шахтных полей, основанный на непрерывном контроле сейсмической активности, заключающийся в выявлении областей, потенциально опасных по динамическим формам проявления горного давления. Установлен временной интервал, необходимый для учета данных сейсмической активности. Создана методика построения карт регионального прогноза на основе разработанного комплексного параметра F, характеризующего одновременно количество сейсмических событий и их энергию. Показано, что сейсмическая активность характеризует повышенную удароопас-ность участков шахтного поля и ее миграцию в процессе ведения горных работ.

- Для условий Октябрьского месторождения определены основные технические характеристики аппаратуры для проведения сейсмического мониторинга.

- Способ регионального прогноза удароопасности внедрен на рудниках "Октябрьский" и "Таймырский" Октябрьского месторождения Норильска, где он стал неотъемлемым элементом в технологии обработки богатых руд. На основе предложенного способа создана и функционирует служба прогноза горных ударов. Основные положения разработанного способа регионального прогноза удароопасности вошли в "Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам", Норильск, 2001г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жилкина, Нина Федоровна, 2007 год

1. Бот М. Прогноз землетрясений // Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1968.

2. Болт Б. Землетрясения: Общедоступный очерк. Пер. с англ. М.: Мир, 1981.256 с.

3. Броек Д. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980. 368 с.

4. Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: КГТГУ, 2003. 151 с.

5. Воинов К.А., Краков А.С., Ломакин B.C., Халевин Н.И. Сейсмологические исследования горных ударов на Североуральских месторождениях бокситов. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1987, № 10. С. 98-104.

6. Воинов К.А., Краков А.С., Томилин Н.Г., Фролов Д.И. Пространственно-временной анализ процесса разрушения горного массива на примере Североуральских бокситовых месторождений (ПОСУБР). // ФТПРПИ. 1987. № 1. С. 22-27.

7. Гайский В.Н. Статистические исследования сейсмического режима. М.: Наука, 1970.-124 с.

8. Геофизические исследования горных ударов/И.М. Петухов, В.А. Смирнов, Б.Ш. Винокур, а.С. Дальнов.-М.: Недра, 1975.

9. Герман В.И., Мансуров В.А. Мониторинг индуцированной сейсмичности и процедура выделения очагов горных ударов. // ФТПРПИ. 2002. № 4. С. 28-37.

10. Гуревич Г.И. Деформируемость сред и распространение сейсмических волн. М.: Наука. 1974. 484 с.

11. Гуфельд И.Л., Добровольский И.П. Модель подготовки корового землетрясения. //ДАН СССР, т.260, № 1, 1981, с. 51-55.

12. Дамаскинская Е.Е., Куксенко B.C., Томилин Н.Г. Двухстадийная модель разрушения горных пород. // Физика Земли, 1994, № 10. С. 47-52.

13. Дамаскинская Е.Е., Куксенко B.C., Томилин Н.Г. Статистические закономерности акустической эмиссии при разрушении гранита. // Физика Земли, 1994, № 11. С. 40-48.

14. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: Наука, 1991.224 с.

15. Дягилев Р.А. Сейсмологический прогноз на рудниках и шахтах Западного Урала: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Москва, 2002.

16. Еременко А.А. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках. М.: Изд-во АГН, 1997.

17. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. // Вестн. АН СССР. 1968. № 3. С. 46-52.

18. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А., Савельев В.Н., Султонов У.С. О прогнозировании разрушения горных пород. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977, №6. С. 11-18.

19. Журков С.Н., Куксенко ВС., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения. // ДАН СССР, 1981, т. 259, №6. С. 1350-1353.

20. Завьялов А.Д. Среднесрочных прогноз землетрясений по комплексу признаков: основы, методика, реализация: Автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук., Москва, 2003. 55 с.

21. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 231 с.

22. Коваленко И.Н., Кузнецов Н.Ю., Шуренков В.М. Случайные процессы. Киев: Наукова думка, 1983.

23. Козырев А.А., Панин В.И., Мальцев В.А., Аккуратов М.В. Параметры сейсмического процесса как предвестники техногенных катастроф. // Горная геофизика. Межд. конф. 22-25 июня 1998 г., Санкт-Петербург. СПб.: ВНИМИ, 1998. С. 438-443.

24. Куксенко B.C. Кинетические аспекты процесса разрушения и физические основы его прогнозирования. В кн.: Прогноз землетрясений, Душанбе-М.: Дониш, 1983, № 4. С. 8-20.

25. Куксенко B.C., Инжеваткин И.Е., Манжиков Б.Ц., Станчиц С.А., Томил ин Н.Г., Фролов Д.И. Физические и методические основы прогнозирования горных ударов. // ФТПРПИ. 1987. № 1. с. 9-22.

26. Куксенко B.C., Пикулин В.А., Негматуллаев С.Х., Мирзоев К.М. Долгосрочный прогноз землетрясений по кинетике накопления разрывов (район Нурекского водохранилища). В кн.: Прогноз землетрясений, Душанбе-М.: Дониш, 1984, №5. С. 139-148.

27. Ломакин B.C. Региональный прогноз удароопасности шахтных полей. В сб. Прогноз горных ударов. Л.: ВНИМИ, 1982, с.34-39.

28. Ломакин B.C., Силина И.К. Состояние и перспективы изучения сейсмичности Урала. В сб. Строение и развитие земной коры и структур рудных полей Урала по геофизическим данным. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1976, с.91-96.

29. Ломакин B.C., Юнусов Ф.Ф. Оперативный метод сейсмологических наблюдений на рудниках. В сб. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудных месторождениях. Апатиты: 1993.

30. Маловичко А.А., Дягилев Р.А., Шулаков Д.Ю., Кустов А.К. Мониторинг техногенной сейсмичности на рудниках и шахтах Западного Урала. // Горная геофизика. Межд. конф. 22-25 июня 1998 г., Санкт-Петербург. СПб.: ВНИМИ, 1998. С. 147-151.

31. Манжиков Б.Ц. Индуцированная сейсмичность и удароопасность шахтных полей: Дис. д-ра физ.-мат. наук. Бишкек, 1997.288 с.

32. Мансуров В.А. Прогнозирование разрушения горных пород. Фрунзе: Илим, 1990.240 с.

33. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. М.: Наука, 1978. 232 с.

34. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений. // Физика очага землетрясения. М.: Наука, 1975. С. 6-29.

35. Технические проблемы разработки полезных ископаемых. №5, Новосибирск, 2004 г., с. 3-25.

36. Партон В.З. Механика разрушения: от теории к практике. М.: Наука, 1990. 240 с.

37. Петров В.А. О механизме и кинетике макроразрушения. // ФТТ, т. 21, 1979. С. 3681-3686.

38. Петров В.А. Основы кинетической теории разрушения и его прогнозирование. // Прогноз землетрясений, Душанбе-М.: Дониш, 1984, № 5. С. 3044.

39. Петухов И.М. Научные основы управления геодинамической безопасностью при освоении недр//Сборник "Проблемы геодинамической безопасности. II Международное рабочее совещание. 24-27 июня 1997" Санкт Петербург: ВНИМИ, 1997.

40. Пономарев B.C. Зонная релаксация напряжений при разгрузке массивов горных пород. //ДАН СССР, 1981, т. 259, № 6. С. 1337-1339.

41. Пономарев А.В. Динамика физических полей при моделировании очага землетрясения: Автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2003. 62 с.

42. Полякова Т.П. О пространственно-временном изучении сейсмического процесса методом скользящего графика повторяемости землетрясений. // ДАН СССР, 1990, т. 311, № 4. С. 842-844.

43. Пономарев B.C. Горные породы как среды с собственными источниками энергии. // Проблемы нелинейной сейсмики. М.: Наука, 1984. С. 50-64.

44. Прочность и деформируемость горных пород. / Карташов Ю.М. и др. М.: Недра, 1979.269 с.

45. Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9-27.

46. Садовский М.А. О моделях геофизической среды и сейсмического процесса. // Прогноз землетрясений, Душанбе-М.: Дониш, 1983, № 4. С. 268272.

47. Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов. // Вестник АН СССР. 1986, № 8. С. 3-11.

48. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 100 с.

49. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. О зависимости времени подготовки землетрясения от его энергии. ДАН СССР, 1983, т. 271, № 2. С. 330-333.

50. Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.Е. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. М.: ГИТТЛ, 1955.

51. Сейсмичность при взрывных работах. Под ред. Н.Н, Мельникова. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2002.

52. Сейсмическая сотрясаемость территории СССР. М.: Наука, 1979. 192 с.

53. Смирнов В.А. Физические процессы в очагах горных ударов и региональный прогноз их по геофизическим полям: Автореф. дис. д-ра техн. наук. С-Пб: ВНИМИ, 1991. - 51 с.

54. Смирнов В.А., Ломакин B.C., Винокур Б.Ш. и др. Методические указания по использованию системы непрерывного контроля удароопасности на угольных и рудных месторождениях. Л.: ВНИМИ, 1983. 52 с.

55. Смирнов В.Б. Повторяемость землетрясений и параметры сейсмического режима. 1995, № 3. С. 59-70.

56. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический процесс. // Физика Земли. 1995. № 1.С. 38-58.

57. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.

58. Соболев Г.А. Прогноз землетрясений. // Сейсмические опасности. Тематический том. М.: Крук, 2000. С. 97-138.

59. Соболев Г.А., Васильев В.Ю. Особенности группирования эпицентров слабых толчков перед сильными землетрясениями Кавказа. // Физика Земли. 1991, №4. С. 24-36.

60. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. -М.: Наука, 2003.270 с.

61. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С. Аномалии в режиме слабой сейсмичности перед сильными землетрясениями Камчатки. // Вулканология и сейсмология. 1996, №4. С. 64-74.

62. Соболев Г.А., Тюпкин Ю.С., Смирнов В.Б., Завьялов А.Д. Способ среднесрочного прогноза землетрясений. // ДАН. 1996, т. 347, №3. С. 405407.

63. Соболев Г.А., Челидзе T.JL, Завьялов А.Д., Славина Л.Б., Николадзе В.Е. Карты ожидаемых землетрясений, основанные на комплексе сейсмологических признаков. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990, № 11. С. 45-54.

64. Томашевская И.С., Хамидулин Я.Н. Предвестники разрушения горных пород. // Изв. АН СССР, Физика Земли, 1972, № 5, с. 12-20.

65. Томилин Н.Г. Иерархические свойства акустической эмиссии при разрушении горных пород. СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 1997. 33 с.

66. Трубецкой К.Н., Бронников Д.М., Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Локация источников акустической эмиссии в массивах горных пород. // Изв. РАН. Физика Земли. 1994, № 7-8, с. 77-83.

67. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам, Норильск, 2001.

68. Уломов В.И. Моделирование зон возникновения очагов землетрясений на основе решеточной регуляризации. Физика Земли, № 9, 1998. С. 20-38.

69. Федотов С.А. О сейсмическом цикле, возможности сейсмического районирования и долгосрочном сейсмическом прогнозе. // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука, 1968. С. 121-150.

70. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов: Пер. с англ. М.: Наука, 1979. 368 с.

71. Ханов В.Х. Алгоритмическое обеспечение средств регистрации сигналов в информационно-измерительных системах геомониторинга: Дис. . канд. техн. наук. Красноярск, 2001.

72. Шебалин Н.В., Арефьев С.С., Васильев В.Ю., Татевосян Р.Э. От сейсмичности площадей к структуре сейсмичности. // Известия АН СССР. Физика Земли, 1991. №9. С. 20-28.

73. Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987.

74. Эйби Дж.А. Землетрясения: Пер. с англ. -М.: Недра, 1982. 264 с.

75. BenioffH. Seism. Soc. Amer. Bull., V. 41, N. 3, 1951, p. 31.

76. Beer W., Mendecki A.J. Rockburst prediction case studies using a kinematics of failure approach. The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. March/April 1998. P. 65-73.

77. Glasstone S. et al. The theory of rate processes Kinetics of chemical reactions, viscosity, diffusion and electrochemical phenomena. New York: McGraw-Hill, 1941.611pp.

78. Kagan Y.Y., Jackson D.D. Probabilistic forecasting of earthquakes. // Geophys. J. Int., Vol. 43,2000. P. 438-453.

79. Kagan Y.Y., Knopoff L. Statistical sort-term earthquakes prediction. // Science, New Series, Vol. 26. 1987, P. 1563-1567.

80. Mansurov V. A. Prediction of Rockbursts by Analysis of Induced Seismicity Data // Int. J. of Rock Mechanics and Mining Sci., 2001. Vol. 38, №. 6. P. 893-901.

81. Mendecki A.J. Keynote lecture: Principles of monitoring seismic rockmass response to mining. // Rockburst and Seismicity in Mines. Balkema, Rotterdam, 1997. P. 69-80.

82. Mendecki A.J., van Aswegen G., Mountfort P. A Guide to routine seismic monitoring in mines. Draft. Safety in Mine Research Advisory Committee, South Africa. ISS International Limited. 1998.27 pp.

83. Nishenko S.P. Bulang R. A generic recurrence interval distribution for earthquake forecasting.// Bulletin of the Seismological Society of America. Vol. 77. 1987. № 4. P. 1382-1399.

84. Sobolev G.A., Tyupkin Yu.S., Zavyalov A.D. Map of expected algorithm and RTL prognostic parameter: joint application. // Russian Journal of Earth Sciences. Vol.1, №4, July 1999. P. 301-309. http://eos.wdcb.rssi.ru/ries/ries r00.htm

85. Tomilin N.G., Voinov K.A. Technique and results of the rock burst prediction. // Proceedings of the International Conference on Mechanics of jointed and faulted rock, 1995. Rotterdam: Balkema. P. 955-959.

86. Veksler Y.A., Shakirov A.T., Baidildina Sh.B. Seismoacustic monitoring of destruction. // Proceedings of the 3rd International Symposium On Field Measurements in Geomechanics, 1991. Rotterdam: Balkema. P. 323-328.