Введение к работе
Актуальность теми. Развитие горнодобывающей промышленности является приоритетным направлением в экономике Киргизской Республики. В связи с усложнением условий разработки месторождений полезных ископаемых в настоящее время особую актуальность приобретают вопросы механики динамических проявлений горного давления. Нарушение естественного напряженно - деформированного состояния горного массива при добыче полезных ископаемых нередко приводит к горным ударам, обрушениям, внезапным выбросам угля и газа. Необходимость протезировать эти явления, предупреждать и исключать их вредные последствия представляет собой важную экономическую и социальную проблему, требующую для своего решения глубокой научной проработки.
С точки зрения сейсмолопіи, динамические прюявления горного давления в массиве горных пород, вызванные его разработкой, являются частным случаем индуцированной сейсмичности. При этом сейсмические явления, сопровождающиеся разрушением горных выработок, классифицируются как горные удары.
Заметное беспокойство возбужденная сейсмичность шахтных полей стала оказывать сравнительно недавно, в последние два-три десятилетия, и остается пока слабоизученным явлением. Современный этап изучения возбужденной сейсмичности характеризуется разработкой научных основ явления, методов и средств регистрации, а также систематическим сбором данных, для прогноза и профілактики динамических проявлений горного давления.
На сегодняшний день ни одна из задач прогноза, связанная с предсказанием места, энергии и момента горного удара не может считаться решонной в полной мере. Главная причина такого положения заключается в недостатке физико-механических представлений о природе и особенностях развития процесса разрушения в такой сложной среде, какой является массив горных пород. Оно осложняется тем, что большинство применяемых в настоящее время способов прогноза горных ударов направлено на определение степени удароопасности локальных участков массива, прилегающих к горным выработкам, и не позволяет контролировать состояние удароопасных областей в глубине массива. Широкое же внедрение в практику региональных методов контроля, прежде всего, сейсмического, сдерживается недостаточным аппаратурным и методическим обеспечением. В этой связи исследова-
ниє индуцированной сейсмичности шахтных нолей о целью развития эффективных методов прогноза и профилактики горних уд&ров является актуальной проблемой механики горних пород.
Исходя из этого, цель настоящей работы заключается в разработке научно-обоснованных подходов и практических методов прогнозирования горных ударов на основе количественных и качественных закономерностей индуцированной сейсмичности шахтних полай в процессе производства горних работ.
Основная идея работы состоит в использовании пространственно-временных и энергетических характеристик индуцированной сейсмичности для выявления ударооиасішх участков и прогноза горних ударов.
Задачи проводимых исследований включали:
-создание методики и программного обеспечения для анализа и диагностики индуцированной сейсмичности шахтних полей, основанных на представлениях механики горних пород и сейсмологаческих моделях подготовки землетрясений,
-выявление закономерностей режима индуцированной сейсмичности шахтных полей,
-установление особенностей пространственно-временной структуры индуцированной сейсмичности,
-определение прогностических характеристик процесса подготовки сильных горних ударов,
-разработку модели подготовки горного удара,
-разработку алгоритма и формализованной процедуры прогнозирования сильных горных ударов,
-ретроспективный прогноз горшх ударов разработанным методом.
Методика исследований включает: анализ и обобщение предшествующего опыта по литературным даншм, компьютерный анализ данных регионального сейсмического контроля методами вычислительной сейсмологии, математической статистики, теории вероятностей и случайных процессов, ретроспективный прогноз горних ударов но фактическим сейсмическим данным.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Адекватное представление индуцированной иахтной сейсмичности в общем случае достигается в виде ординарных, стационарных, без последействия пространственно-временных потоков, имеющих пока ввтельное распределение сейсмических событий.
-
Процесс подготовки крупных актов разрушения горного масси
во адекватно отражается пространственно-временными характеристиками индуцированной сейсмичности. Подготовка события проявляется как локализация процесса, хотя бы по одной пространственной координате. Пространственная локализация опережает по фазе временную локализацию процесса.
-
Явление горного удара качественно и количественно описывается как эволюция жесткого включения в разрабатываемом породном массиве, тем самым экспериментально подтверждается применимость для индуцированной сейсмичности консолидационной модели-подготовки землетрясения, основанной на феномене жесткого включения.
-
Количественные характеристики накопления повреждений в сейсмоактивном объеме неоднородности на последовательных этапах ее эволюции подчиняются концентрационной схемо разрушения, тем самым экспериментально подтверждается применимость концентрационного критерия разрушения для индуцироваїшой сейсмичности.
-
Задача временного прогноза горных ударов по комплексу прогностических признаков в вероятностной постановке решается по методу Байеса, чем обеспечивается математическая формализация процедуры прогнозирования.
-
Прогнозирование максимально возможной энергии горных ударов реализуется на основе логарифмической зависимости обратного накопления их числа по энергии.
-
Пространственный прогноз горных ударов достигается путем анализа относительного расстояния между сейсмическими событиями.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методики анализа и диагностики индуцированной сейсмичности шахтных полей, основанной на концентрационных представлениях о разрушении горных пород и консолидационной модели подготовки землетрясения; выявлении закономерностей режима индуцированной сейсмичности и установлении его количественной зависимости от проводимых взрывных работ; выявлении особенностей пространственно - временной структуры индуцированной сейсмичности удароопасных шахтных полей; определении количественных характеристик сейсмоактивного объема жесткого включения на различных этапах его эволюции; выявлении прогностических характеристик процесса подготовки сильного горного удара и создании его модели.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается: -статистически представительным объемом информационной базы данных, ьключаицих сведения о более чем 7000 сейсмических событий;
-обоснованностью научных предпосылок и применением статистических методов обработки данных скользящей выборкой постоянного объема;
-положительными результатами ретроспективного прогноза горных ударов по сейсмическим данным за семь лет наблюдений.
Практическую ценность работы составляют следующие результаты, возводящие реализовать комплексное прогнозирование времени, энергии и места возникновения горных ударов:
-обоснованный, комплекс пяти прогностических признаков подготовки сильных горных ударов, выявляемых по данным регионального сейсмического контроля удароопасных шахтных полей;
-математически формализованный, вероятностный метод временного прогноза горных ударов по комплексу прогностических признаков;
-метод прогнозирования максимально возможной энергии горных ударов и ее количественные оценки, получешше для шахтных полей СУБРа;
-математически формализованный метод прогнозирования вероятных мест возникновения горных ударов;
-программное обеспечение, созданное для исследования индуцированной сейсмичности шахтных полей и прогноза горных ударов.
Реализация работы. Работа выполнена в соответствии с программой НИР ВДГГ СССР O.Y4.03. "Разработать и внедрить в практику народного хозяйства методы оценки опасности и комплекс мероприятий для уменьшения ущерба от землетрясений, цунами и вулканических извержений" гос. per. N01870004739 и региональной программой фундаментальных исследований "Комплексные исследования природных, природно-техногенных катастроф и современных экологических процессов в горних районах".
На Североуральском бокситовом руднике (СУБР) результаты исследований заложены для совершенствования иформационно - методического обеспечения регионального сейсмического контроля удароопасных шахтных полей и сейсмического районирования территории региона.
Методы количественной оценки влияния взрывных работ и максимально возможной внергии сейсмических событий в виде методических пособий и компьютерных программ нашли применение в учебном процессе Кыргазско - Российского ушшерситета и Кыргызского архитектурно - строительного института.
Личный вклад автора состоит в обосновании, постановке и выпо-
лнении исследований; разработке методов -прогнозирования времени, эперпш и места возникновения горных ударов, базирующихся на данных регионального сейсмического контроля шахтных нолей; анализе и обобщении современных представлений о разрушении горных пород; развитии методов анализа индуцированной сейсмичности на основе физически-механических и сейсмологических моделей подготовки землетрясений; анализе режима и пространственно-временной структуры индуцированной сейсмичности шахтных полей; обосновании и выявлении прогностических признаков подготовки горного удара, создании его модели и формализованной процедуры прогноза; разработке алгоритмов и программ, обеспечивающих обработку, анализ, визуализацию результатов и прогнозирование индуцированной сейсмичности шахтных полей; ретроспективном прогнозе горных ударов СУБРа.
Апробация работы. Основные результаты исследований и научные положения диссертации обсуждались и получили одобрение на Всесоюзных научно-технических семинарах по горной геофизике (Тбилиси, 1981, Батуми, 1985); Всесоюзных совещаниях "Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах" (Ташкент, 1981, Ереван, 1985); XIX Генеральной ассамблеи Европейской сейсмологической комиссии (Москва, 1984); Всесоюзной конференции "Акустическая эмиссия материалов и конструкций" (Ростов-на-Дону, 1984); Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных, пород" (Фрунзе, 1985, Иркутск, 1988, Ленинград, 1991); VII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988); IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1989); X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993); Международной конференции "Высокогорные исследования: изменения и перспективы в XXI веке" (Бишкек, 1996); семинаре отдела физики прочности ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (Ленинград, 1985); семинарах и Ученом Совете ИФиІЯТІ HAH Кыргызской Республики (1980-1996 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и приложения, изложенных на 303 страницах машинописного текста, в том числе 9 таблиц, 55 рисунков, списка литературы, содержащего 180 наименований.