Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Изучаемые объекты. состояние изученности вопроса. цель и задачи исследовании 13
1.1. Геологическое строение Хибинского массива и отличительные черты его геоморфологии 13
1.1.1. Естественное поле напряжений и геомеханические особенности апатит-нефелиновых месторождений Хибин 14
1.1.2. Физические свойства руд и пород в Хибинском массиве 17
1.1.3. Геомеханические условия разработки месторождений: Кукисвумчоррское, Юкспорское и «Апатитовый Цирк» 19
1.2. Сейсмологические наблюдения исистемы контроля сейсмичности Хибинского массива 21
1.2.1 .Автоматизированная система контроля сейсмичности массива 24
1.2.2. Объединенная система контроля сейсмичности массива 28
1.2.3. Геодинамическая ситуация на отрабатываемых апатит-нефелиновых месторожденияхАО «Апатит» 29
1.3. Состояние изученности вопроса. Цель и задачи исследования. Методика проведения исследований 31
1.3.1. Состояние изученности вопроса 31
1.3.2. Цель и задачи исследования 34
1.3.3. Методика проведения исследований 35
ГЛАВА 2. Влияние природных факторов на изменение сейсмического режима горного массива в районе отрабатываемых месторождении 38
2.1. Факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние массива
горных пород. Удароопасность апатит-нефелиновых месторождений 38
2.1.1. Влияние разломов на напряженно-деформированное состояние массива горных пород 39
2.1.2. Проявление современных движений в Хибинском массиве 40
2.1.3. Связь разрывных нарушений с проявлением сейсмической активности Хибинского массива 42
2.1.4. Сейсмический режим месторождений Хибинского массива 47
2.2. Обводненность массива горных пород 49
2.2.1. Особенности температурного режима Хибин 49
2.2.2. Осадконакопление в Хибинах 50
2.2.3. Гидрогеологическая характеристика района Хибинских апатитовых месторождений 51
2.2.3.1. Гидрогеологическая характеристика шахтного поля Объединенного Кировского рудника 53
2.2.3.2. Гидрогеологическая характеристика месторождений «Апатитовый Цирк» и «Плато Расвумчорр» 55
2.2.4. Флюидное давление в поровом пространстве горных пород 57
2.2.5. Анализ зависимости сейсмической активности на контролируемых АСКСМ рудниках от обводненности массива горных пород 62
2.3. Анализ активизации сейсмической активности в сезонные периоды времени года (осень-весна) 66
2.3.1. Анализ влияния количества атмосферных осадков на возникновение сильных сейсмических событий 66
2.3.2. Статистический анализ сейсмических, гидрогеологических и метеорологических данных осеннего периода наблюдений 70
2.3.3. Параметры сейсмических, гидрогеологических и метеорологических данных применительно к техногенным землетрясениям, произошедших с 2004 г. по 2010 г. в Хибинском массиве 74
2.3.4. Влияние снеготаяния на реализацию сильных сейсмических событий 77
2.3.5. Статистический анализ сейсмических, гидрогеологических и метеорологических данных весеннего периода наблюдений 83
2.3.6. Влияние колебаний температуры окружающей среды на активизацию сейсмической активности 84
2.3.7. Анализ изменений температуры снежного покрова и роста сейсмичности массива горных пород 91
2.4. Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3. Выявление информативных предвестников и их критических значений. влияние массовых взрывов на изменение сейсмического режима горного массива в районе отрабатываемых месторождений в условиях сезонной обводненности горных пород 95
3.1. Модельное представление переходных состояний массива горных пород к реализации сильного сейсмического события 95
3.2. Дифференциация влияния (сильное, среднее, слабое) отдельных факторов на сейсмическую активность 98
3.3. Критические значения параметров метеорологического и гидрогеологического режимов Хибинского массива для сейсмических событий с энергией более 1.ОЕ+06 Дж 99
3.3.1. Критический уровень значений по объемам водопритоков за временной диапазон «предыстории» замеров 99
3.3.2. Критический диапазон значений угла (наклона) спада высот снежного покрова для сейсмических событий с энергией 1.ОЕ+06 Дж и более 103
3.4. Сейсмичность при горных работах 105
3.4.1.Влияние массовых взрывов на сейсмический режим системы подземный рудник - карьер 117
3.4.2. Влияние массовых взрывов и обводненности массива пород на активизацию сейсмической активности 121
3.5. Выводы по главе 3 129
ГЛАВА 4. Методические принципы учета природных факторов при опенке техногенной сейсмичности 132
4.1. Ретроспективный анализ возникновения сильных сейсмических событий по данным метеорологических и гидрогеологических наблюдений 132
4.2. Методические принципы оценки метеорологических и гидрогеологических факторов для выявления периодов роста сейсмической активности 132
4.3. Оценка экономического эффекта разработанных методических принципов учета влияния метеорологических и гидрогеологических факторов по выявлению периодов роста сейсмической активности 133
4.4. Программная система комплексной оценки данных метеорологического, гидрогеологического и сейсмического мониторингов 138
4.4.1. Общая схема комплексной оценки влияния метеорологических и гидрогеологических факторов для установления периодов сейсмической активности на рудниках АО «Апатит» 138
4.4.2. Блок-схема работы программной системы «Seasonal seismic activity Identification System» (SSAIS) 139
4.4.3. Результаты перспективного анализа данных для выявления периодов активизации сейсмической активности с помощью программной системы «SSAIS» 141
4.5. Выводы по главе 4 147
Список сокращении и условных обозначении 151
Список литературы
- Геомеханические условия разработки месторождений: Кукисвумчоррское, Юкспорское и «Апатитовый Цирк»
- Влияние разломов на напряженно-деформированное состояние массива горных пород
- Критический уровень значений по объемам водопритоков за временной диапазон «предыстории» замеров
- Оценка экономического эффекта разработанных методических принципов учета влияния метеорологических и гидрогеологических факторов по выявлению периодов роста сейсмической активности
Введение к работе
Актуальность проблемы. Месторождения апатит-нефелиновых руд Хибинского массива Кукисвумчоррское, Юкспорское, «Апатитовый Цирк» и «Плато Расвумчорр», отрабатываемые рудниками АО «Апатит» им. С.М. Кирова, являются важной сырьевой базой для производства минеральных удобрений в химической промышленности России.
В настоящее время добыча руды на рудниках АО «Апатит» обеспечивается за счет интенсификации ведения подземных и открытых работ, что влечет за собой их углубление, и, как следствие, рост уровня напряжений и количества динамических проявлений горного давления.
За время регистрации сейсмических событий в районе производственной
деятельности АО «Апатит» с 1987 года по настоящее время установлено, что
сейсмический режим не стационарен. Это обусловлено наличием возмущающих
факторов, как техногенных - взрывных работ при отбойке руды на рудниках, так и
природных - обводненности пород в периоды интенсивных дождей и обильного
снеготаяния. Наличие в массиве разномасштабной трещиноватости обуславливает в
эти периоды насыщение атмосферными водами горных пород. В зависимости от
пористости и влагопроницаемости пород, слагающих отрабатываемое
месторождение, сейсмическая реакция массива может быть различной. Все это указывает на необходимость контроля состояния Хибинского массива.
Прогнозирование сильных сейсмических событий (Е1.0Е+07Дж),
провоцируемых повышенной обводненностью массива, предупреждение и
минимизация их вредных последствий, представляет собой важную экономическую
и социальную проблему, требующую для своего решения глубокой научной
проработки. В связи с этим актуальным представляется изучение связи таких
природных факторов, как изменения значений температуры, количества осадков,
обводненности горных пород с сейсмическим режимом массива. Анализ
выявленных закономерностей позволяет выделить ряд информативных
предвестников сильных сейсмических событий для осуществления их
вероятностного прогноза.
Исследования в рамках диссертационной работы выполнялись в
соответствии с планами научных исследований ГоИ КНЦ РАН по госбюджетным
темам: «Изучение эволюции напряженно-деформированного состояния
геологической среды в горнотехнических системах для обеспечения безопасности и
эффективности горных работ» (тема 5-10-2601); «Исследование геомеханических
процессов в геологической среде горнотехнических систем для обеспечения
геодинамической безопасности разработки недр» (тема 5-13-2601); гранта РФФИ
№12-05-00507 «Исследование процессов геомеханической самоорганизации
геологической среды в горнорудной природно-технической системе для управления геодинамическими рисками».
Целью работы является выявление связи сейсмической активности отрабатываемых месторождений Хибинского массива с изменениями параметров обводненности массива горных пород.
Основная идея работы заключается в использовании выявленных
закономерностей влияния отдельных природных факторов (обводненности массива,
температуры окружающей среды), как прогностических предвестников
формирования роста сейсмической активности участков массива горных пород в районе производственной деятельности рудников АО «Апатит».
Основные задачи исследований:
1. Анализ и обобщение данных сейсмических, метеорологических и
гидрогеологических наблюдений.
-
Выявление природных факторов, оказывающих наибольшее влияние на изменение сейсмического режима массива горных пород в районе отрабатываемых месторождений: «Апатитовый Цирк», «Плато Расвумчорр», Кукисвумчоррского и Юкспорского.
-
Оценка степени влияния выбранных триггерных факторов на изменение сейсмоактивности массива пород и определение критических уровней значений метеорологических и гидрогеологических данных, после которых массив переходит из нестационарного состояния к стадии разрушения.
-
Разработка методических принципов оценки влияния метеорологических и гидрогеологических факторов для выявления периодов активизации сейсмической активности на рудниках АО «Апатит».
Методы исследований. В работе применен комплексный метод
исследований, включающий анализ и обобщение научного и практического опыта
по проблеме; современные компьютерные технологии для ретроспективного
анализа баз данных метеорологических, гидрогеологических наблюдений и
зарегистрированных сейсмических событий; сопоставление полученных
результатов с горнотехнической и геологической обстановками и
зарегистрированными геодинамическими проявлениями.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Установлена связь сезонной сейсмоактивности центральной части Хибинского массива с водопритоками в горных выработках Объединенного Кировского и Расвумчоррского рудников АО "Апатит", заключающаяся в увеличении на порядок и более выделяющейся суммарной сейсмической энергии в весенний и осенний периоды.
-
Для месторождений «Апатитовый Цирк» и «Плато Расвумчорр» выявлены предвестники (уровень водопритоков и высота снежного покрова) сильных сейсмических событий (Е1.0Е+07Дж), определены их критические значения, при которых резко снижается эффективная прочность и сдвиговые характеристики горных пород. При этом установлена особая роль триггерного эффекта массовых взрывов при водонасыщении массива горных пород на 200% и более от фоновых значений.
3. Разработана методика прогноза опасных периодов сейсмоактивности массива горных пород, заключающаяся в учете степени влияния метеорологических и гидрогеологических факторов на его сейсмический режим, и разработана программная система, реализующая её.
Достоверность научных положений подтверждена сходимостью
результатов баз данных зарегистрированных сильных сейсмических событий в
пределах отрабатываемых месторождений «Апатитовый Цирк», «Плато
Расвумчорр», Кукисвумчоррское и Юкспорское в периоды увеличения количества
атмосферных осадков и изменений температурного режима с горнотехнической
обстановкой при оценке роста сейсмической активности как для отдельных
техногенных землетрясений, так и для серий сейсмических событий,
зарегистрированных в течение продолжительного периода.
Научная новизна работы:
1. Выявлена связь увеличения сейсмической активности с обводненностью
горных пород и резкими перепадами температуры окружающей среды для
месторождений Хибинского массива: «Апатитовый Цирк», «Плато Расвумчорр»,
Кукисвумчоррского и Юкспорского.
2. Установлено, что массовые взрывы в напряженных участках
обводненного массива приводят к увеличению его сейсмической активности, вплоть
до реализации техногенных землетрясений, в результате подвижки блоков пород по
водонасыщенному разрывному нарушению.
3. Впервые для месторождений Хибинского массива на основе анализа
данных метеорологических и гидрогеологических наблюдений определены
критические диапазоны уровня водопритоков и значений углов спада высоты
снежного покрова, в результате которых наблюдается всплеск сейсмической
активности в виде серии сейсмических событий с энергией Е=1.0Е+069.9Е+06Дж
или реализации сильного события (Е1.0Е+07Дж).
Практическая значимость работы. В рассматриваемом временном периоде зафиксированных проявлений опасных геодинамических явлений, таких как горные удары и техногенные землетрясения, была установлена связь усиления сейсмичности исследуемого района с воздействием различных триггерных факторов.
Учет установленных критических значений метеорологических и
гидрогеологических факторов позволяет обеспечить повышение эффективности контроля и безопасности ведения горных работ на рудниках АО «Апатит» в периоды сезонной обводненности массива горных пород.
Реализация результатов работы. Разработанные методические принципы и программная система «Seasonal seismic activity Identification System» в настоящее время применяются в Бюро геофизического мониторинга (БГМ) АО «Апатит» при осуществлении контроля сейсмоактивности района отрабатываемых месторождений с учетом результатов оценки степени влияния выделенных триггерных факторов. Изучение связи сейсмичности массива с действием природных факторов было включено в «Мероприятия по предупреждению травматизма от обрушений кусков
руды и породы с кровли горных выработок и бортов карьеров на 2012-2017 годы» АО «Апатит».
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на комиссиях по горным ударам АО «Апатит», научных семинарах лаборатории геомеханики и заседаниях Горной секции ГоИ КНЦ РАН, отражены в отчетах РФФИ и отчетах НИР лаборатории геомеханики за 2009-2015 годы, одобрены на заседаниях ученых советов ГоИ КНЦ РАН, и опубликованы в научных изданиях.
Результаты исследований и основные положения диссертационной работы
докладывались на научно-технических конференциях: Всероссийской научной
конференции «Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов»
(г. Апатиты, 2009); Научной школе молодых ученых и специалистов «Добыча и
переработка руд в условиях ухудшения их залегания и снижения качества»
(г. Апатиты, 2009); Всероссийской научно-технической конференции с
международным участием, посвященной 50-летию Горного института КНЦ РАН
«Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов»
(г. Апатиты, 2011);II Международной конференции «Горнодобывающая
промышленность Баренцева Евро-Арктического региона: взгляд в будущее»
(г. Кировск, 2012); Научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013); 23
Международном горном конгрессе IMCET (г. Кемер, Анталия, Турция, 2013);
Втором Всероссийском семинаре-совещании «Триггерные эффекты в геосистемах»
(г. Москва, 2013); Всероссийской научно-технической конференции с
международным участием «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ» (г. Апатиты, 2013); III международной конференции «Горнодобывающая промышленность Баренцева Евро-Арктического региона: взгляд в будущее» (г. Апатиты, 2013); Научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2015).
Личный вклад автора:
-
Все фактические материалы представляли собой первичные временные ряды наблюдений, которые были обработаны и проанализированы автором в ходе исследований по данной проблеме.
-
Проведенный автором ретроспективный, сопоставительный анализ данных сейсмических, метеорологических и гидрогеологических наблюдений позволил выявить природные факторы, которые оказывают наибольшее влияние на изменение сейсмического режима массива горных пород в районе отрабатываемых месторождений: «Апатитовый Цирк», «Плато Расвумчорр», Кукисвумчоррского и Юкспорского в период сезонной обводненности пород Хибинского массива.
-
Автором проведена дифференциация влияния отдельных триггерных факторов на изменение сейсмоактивности массива пород, а также определены критические уровни значений метеорологических и гидрогеологических данных, после превышения которых массив переходит из нестационарного состояния к стадии разрушения.
4. На основе полученных пороговых значений метеорологических и
гидрогеологических данных автором разработаны методические принципы оценки влияния метеорологических и гидрогеологических факторов для выявления периодов усиления сейсмической активности на рудниках АО «Апатит».
Публикации. Основные материалы по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из них 5 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений и списка литературы из 149 наименований. Материалы диссертации изложены на 179 страницах машинописного текста, в том числе: 82 рисунка, 22 таблицы.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору, доктору технических наук А.А. Козыреву за помощь в постановке проблемы и руководство исследованиями; сотрудникам лаборатории геомеханики: доктору технических наук Э.В. Каспарьяну, кандидату технических наук В.И. Панину за обсуждение результатов, ценные советы и критические замечания по работе, кандидату технических наук Ю.В. Федотовой за ее внимание и поддержку при выполнении работы над диссертацией. Кроме того, автор искренне благодарен специалистам АО «Апатит» ЦГМ и ОЛБ за сотрудничество и предоставленные данные метеорологических и гидрогеологических наблюдений.
Геомеханические условия разработки месторождений: Кукисвумчоррское, Юкспорское и «Апатитовый Цирк»
Хибинский массив характеризуется разнообразием форм тектонических структур, которые по времени связаны с воздействием конических и радиальных разломов (рис. 1.1). Выделяют два тектонических этапа в формировании Хибинского массива[Онохин, 1975]. Первый этап совпадает по времени с образованием конических разломов. Он соответствует периоду формирования апатит-нефелиновых залежей и предопределяет основные тектонические элементы отдельных месторождений. Со вторым этапом связано образование системы региональных и радиальных разломов, которые расчленили Хибинский массив и, соответственно, рудное тело на ряд отдельных блоков. В результате их воздействия единое рудное тело было разобщено и перемещено относительно своего первоначального положения.
В пространственном размещении разломов первого и второго этапов наблюдается полное несоответствие: если первые из них проходят вдоль основных структурных элементов Хибинского массива, т.е. следуют параллельно кольцевому строению массива, то вторые, являются сопряженными к ним и располагаются радиально. Отсюда следует вывод о том, что в процессе формирования Хибинского массива возникали различные напряжения, которые привели к образованию системы концентрических, а затем радиальных разломов [Онохин, 1975]. Наличие системы радиальных разломов предопределило грабено-горстовый характер рудного поля, где отдельные блоки шириной до 10 км и более перемещены относительно друг друга, а также существенным образом сказалось на современном строении Хибинского массива, в пределах которого выделено шесть зон радиальных разломов: Кукисвумчоррская (R1), Поачвумчоррская (R2), Суолуайвская (R3), Ньоркпахкская (R4), Коашкарская (R5), Куэльпорская (R6) (рис. 1.1). Гдео - сжимающие напряжения на глубине; а - сохраняющиеся сжимающие напряжения в выступающих частях массива; а - снимающиеся напряжения (а - а) в поднятых частях массива. АБ - разрез по линии АБ. Детали тектонической схемы (по Ф.М. Онохину): 1 - хибиниты; 2 - ийолит-уртиты; 3 - рисчорриты; 4 - лявочорриты; 5 - фойяиты. Радиальные разломы: 6 - Хибинской, 7- Ловозерской систем. Концентрические разломы: 8 - Хибинской и 9 - Ловозерской систем.
Между разломами располагаются, переместившиеся относительно друг друга, блоки (грабено-горсты): Суолуайвский, Маловудьяврский, Куэльпорский, Центральный, Ньоркпахкский, Коашкарский. К особенностям строения зон радиальных разломов относится их большая мощность (от 100 - 150 м до 2 - 3 км), крутые углы падения, значительная степень деформации пород, многоэтапность формирования.
Распространенность пород различного возраста в определенной степени характеризует как масштабы деформаций, так и масштабы проявления определенных стадий их развития. Все радиальные разломы сформировались в три последовательных периода: период сжатия, период растяжения и снова период сжатия. Наибольшую роль в процессе становления зон разломов играли растяжения (около 96% всех деформаций) [Онохин, 1975, с.39].
Взаимное смещение и деформирование блоков определяют напряженное состояние массива горных пород. Естественное поле напряжений в области разрабатываемых месторождений полезного ископаемого является результатом взаимодействия всех элементов блочной структуры. Установлено, что к зонам тектонических поднятий земной коры приурочены области высоких горизонтальных (тектонических) напряжений в массивах горных пород [Марков, 1977; Марков, Савченко, 1984].Данная приуроченность просматривается как закономерная для всей территории Кольского полуострова, которая представлена, в основном, докембрийскими кристаллическими породами. Хибинский массив является высоко тектонически напряженным, что установлено многочисленными натурными измерениями [Козырев, Панин, Савченко, 2005, с. 123] и подтверждено практикой ведения горных работ. Экспериментально обоснованные данные о действии в массиве, наряду с гравитационным, тектонического силового поля появились в 50-60-х годах. Величина максимальных тектонических напряжений (напряжений сжатия) горных пород в массиве достигает 40-60 МПа на глубинах в 200-600 м от дневной поверхности, что в 3-5, а в некоторых случаях в 20 раз превышает гравитационные напряжения, обусловленные весом налегающих пород.
Современные медленные движения земной коры имеют вертикальные и горизонтальные составляющие, скорости которых различны и зависят, главным образом, от тектонического типа региона, строения и местоположения участка земной коры. Установлено, что тектоническое поле обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры [Каспарьян, Козырев, Иофис, Макаров, 2006].
Характерными признаками тектонически-напряженных массивов являются специфические проявления горного давления в подземных выработках, дискование керна и азимутальные искривления стволов буровых скважин, а также аномально высокие величины напряжений по данным прямых натурных определений [Мониторинг сейсмичности..., 2002, с.13-14.].
Обобщая все результаты определения напряжений на действующих месторождениях Хибин с применением различных методов исследований: разгрузки, сейсмических, инклинометрических измерений искривления геологоразведочных скважин и разрушения их поперечного сечения, дискования керна, а также реконструкции по тектонофизическим данным, можно видеть, что максимальные сжимающие напряжения направлены вдоль дуги рудоносных ийолит-уртитов на всем ее протяжении в соответствии с особенностями строения Хибинского массива (рис. 1.2) [Прогноз и предотвращение ..., 1997]. Где 1 - направления тектонических напряжений по данным инструментальных исследований; 2 - прогнозные направления тектонических напряжений; 3 - нефелиновые сиениты; 4 -массивные слюдяные рисчорриты; 5 - рисчорриты; 6 - ийолит-уртиты; 7 - гнейсовидные рисчорриты; 8 - трахитоидные ийолиты; 9 - апатито-нефелиновые руды.
Породы и руды в Хибинском массиве имеют высокие показатели прочности и упругости. При сжатии руд предел прочности составляет 80-150 МПа, пород - 120-250 МПа, при растяжении, соответственно, 3-10 МПа и 5-20 МПа. Породы и руды Хибинских месторождений по прочности при одноосном сжатии подразделяются на шесть категорий (табл. 1.1). Модуль упругости руд равен 30-60 ГПа, пород - 50-60 ГПа. Породы и руды имеют высокие показатели коэффициента хрупкости (10-25), определяемые как отношение пределов прочности при сжатии к прочности при растяжении [Указания ..., 2010].
Апатит-нефелиновые руды по физическим свойствам значительно отличаются от вмещающих пород. Следовательно, их можно разделить на две группы, где к первой относятся апатит-нефелиновые руды с пониженной прочностью, заметной остаточной деформацией. Отчетливая зависимость показателей свойств прослеживается от количественного содержания апатита. Помимо этого, рудам присуща анизотропия механических свойств, обусловленная полосчатостью. Вмещающие ийолит-уртиты и рисчорриты являются очень крепкими и обладают упругим характером деформирования в широком диапазоне нагрузок, их можно отнести ко второй группе [Тряпицын, Шабаров, 2007].
Влияние разломов на напряженно-деформированное состояние массива горных пород
Определяющее влияние тектонических напряжений, дилатансии и порового давления флюидов на процесс подготовки землетрясения в настоящее время общепринято [Ребецкий, 2009]. Породы могут демонстрировать разный тип реакции на внешнее нагружение, характер которой зависит не только от их структуры, состава и всестороннего давления в твердом каркасе (до 12-18 Кбар), но и от величины порового (флюидного) давления в трещинно-поровом пространстве.
Во второй половине 20 века были проведены эксперименты по исследованию хрупкого разрушения образцов различных горных пород при наличии порового давления флюида, результаты которых показали снижение прочности пород с увеличением порового давления [Byerlee, 1967; Handin, 1972; Stesky, 1978; Ставрогин, Протосеня, 1992 и др.] (рис. 2.12).На графике это отображается в переносе предельных линий на величину давления флюидов [Ребецкий, 2007]. В зависимости от соотношения всестороннего давления (изотропного) в твердом каркасе и во флюиде при нагружении в лабораторных условиях образцы пород разрушались хрупко без пластического деформирования, разделяясь на несколько крупных кусков, либо испытывали большие остаточные деформации, вызываемые рассеянной макро- и микротрещиноватостью или пластическим течением на микроуровне, осуществляемом за счет внутризерновых и внутрикристаллических дислокаций [Mogi, 1964; Byerlee, 1967; Handin, 1972; Rummel, и др., 1978; StesKy, 1978; Ставрогин, Протосеня, 1992].
В работах Ю.Л. Ребецкого [Ребецкий, 2007; 2009; Ребецкий, Михайлова, 2011 и др.] влияние эффективного всестороннего давления на характер деформационного поведения массивов горных пород для масштабов выше микроскопического, находящихся в условиях нагружения, описано моделью упруго-хрупкого тела с использованием критерия Кулона -Мора: тп тс - kcOnn при опп 0, (2.2) где тп - касательные напряжения на плоскости разрыва; тс - предел внутренней эффективной прочности на сдвиг; кс - коэффициент внутреннего трения; о - эффективные нормальные напряжения. Для анализа различных напряженных состояний, отвечающих хрупкому разрушению, упругому и пластическому состояниям применяется диаграмма Мора (рис. 2.13, направо откладываются отрицательные значения эффективного нормального напряжения). Где минимальное сопротивление сухого трения; 11 - участок напряженных состояний на разноориентированных плоскостях, для которых произойдет активизация ранее существовавших трещин; -4 направление смещения большого круга Мора при увеличении флюидного давления при неизменных параметрах напряжений в твердом каркасе пород.
Активизация хрупких разрывов линейного размера, соответствующего масштабу осреднения анализируемого поля напряжений и параллельных плоскости внутреннего трения невозможно при касательном напряжении тп строго меньшем правой части выражения (2.2). Для данной плоскости достигается максимальная прочность на сдвиг. Эта плоскость проходит через ось промежуточного главного напряжения, и нормаль к ней составляет с осью алгебраически наибольшего главного напряжения oi острый угол ac=0.5antanArc((pc= a tanJcc) [Ребецкий, 2009].
Допустим, первоначально трещиноватый массив горных пород деформируется упруго без активизации разрывных смещений вдоль трещин с линейным размером, большим масштаба исследуемого напряженного состояния. Тогда большой круг Мора на диаграмме (рис. 2.13) не пересекает линию минимального сопротивления сухого трения: xn -ksGnn приопп 0, (2.3) где ks - коэффициент сухого статического трения вдоль существующих трещин и разрывов. Область, образованная между огибающей предела прочности и линией минимального сопротивления сухого трения, определяет все возможные напряженные состояния на плоскостях существующих трещин. Если выполняется соотношение: х„ xs - ksGnn при Gnn 0, (2.4) где xs - поверхностное сцепление на бортах трещин, то соответствующие трещины активизируются, по ним происходят сдвиговые смещения. В выражении (2.4) TS TC - прочность сцепления уже существующих трещин с линейным размером, большим, чем масштаб исследуемого напряженного состояния [Ребецкий, 2009]. Если на участке напряженного массива, в котором трещины не могут активизироваться (круг Мора в правой части диаграммы Мора рис. 2.13), происходит увеличение порового давления флюида в породе без изменения напряженного состояния в ее твердом каркасе, то эффективное нормальное напряжение уменьшается, круг Мора смещается влево. После пересечения им линии минимального сопротивления сухого трения появляется набор плоскостей, для которых возможна активизация ранее существовавших трещин (область серого цвета на рис. 2.13), если их прочность сцепления отвечает соотношению (2.4) [Ребецкий, 2009]. Следует отметить, что прочность сцепления вдоль уже существующих разрывов может с течением времени как расти (залечивание разрыва при пониженном уровне напряжений), так и уменьшаться до некоторого минимального значения при длительном действии высоких напряжений (длительная прочность) [Гзовский, 1960, 1975].
Ввиду большой длительности действия тектонических напряжений и проявления процессов снижения прочности во времени трещины, совпадающие по ориентации с данными плоскостями, следует рассматривать как трещины, по которым в какой-то момент времени произойдет активизация разрушения, сдвиговые смещения [Ребецкий, 2009].
Проведем упрощенный расчет изменения величины порового давления флюида в тектонических нарушениях, заполненных водонасыщенными породами, находящихся в районе рудоспусков карьера «Центральный». Рассмотрим все параметры, которые могут влиять на процесс изменения давления воды в порово-трещинном пространстве массива горных пород исследуемого района:
В настоящее время мы уверенно можем оценить только один из рассмотренных выше параметров - объем водопритока онтрД замеры которого производятся два раза в сутки. Можно предположить, что соотношение контролируемого и неконтролируемого отвода воды постоянно для рудника: ВЫХОд = const, т.к. контролируемая откачка идет для воды, излитой из неконтр трещин.Чтобы перейти к объему трещин в удельном объеме пород необходимо оценить объем трещинного пространства в единичном объеме пород. Это можно сделать прямыми замерами в выработках: найти наиболее крупную трещину и вблизи на поверхности стенки выработки (размер 1x1 или 2x2) от нее замерить площадь всех более мелких трещин и площадь самой крупной трещины. Можно допустить, что перпендикулярно стенке (вглубь массива) это соотношение не изменяется. Таких замеров следует проделать в нескольких местах, чтобы статистически закрепить результат. Этот анализ - предмет дальнейших исследований, результаты которого помогут установить, сколько на единицу площади стенки выработки (удельная площадь) приходится площади сечения мелких трещин и как соотносится площадь сечения большой трещины с мелкими. На первых порах можно положить, что СЭР = тк-объем воды, удаляемый из удельного объема массива горных пород К,делд пока неизвестен.
Критический уровень значений по объемам водопритоков за временной диапазон «предыстории» замеров
19 мая 2013г. отмечается рост значений по объемам водопритоков в рудоспусках: р/с № 4 -6м /час, р/с № 6 - 6 м /час относительно фонового уровня - 5; 2 соответственно. Из графика (рис. 3.5), видно, что за 12 дней до толчков происходит постоянный рост водопритока в рудоспусках и 31 мая он достигает следующих значений: р/с № 4 - 26 м/час, р/с № 5 -43 м /час, р/с № 6 - 19 м /час. С 16 по 25 мая среднее значение температуры воздуха за сутки составляет +14С, 26 и 27 мая: +18С, с 28 по 31 мая температура воздуха поднялась до +23С. 1 июня зарегистрировано максимальное значение температуры: +25С.Максимальное значение по количеству атмосферных осадков за исследуемый период составило 6.9 мм за сутки. 1 июня отмечены следующие значения по объемам водопритоков в рудоспусках: р/с № 4 - 28 м /час, р/с № 5 - 54 м /час, р/с № 6 - 22 м /час. В этот день в 11:22:42 час в карьере Центрального рудника ОСКСМ было зарегистрировано сейсмическое событие с магнитудой 2.7. Данное геодинамическое явление сопровождалось длительной серией афтершоков, общее количество которых составило 162 события за сутки (энергетический диапазон от 1.0Е+03 до 1.0Е+09 Дж), из них 5 событий с энергией более 1.0Е+06 Дж.
Где на основной вертикальной оси представлены данные по объему водопритока (м /час); значениям температуры воздуха (С); количеству атмосферных осадков (мм); Рисунок 3.5. - Временное распределение значений метео- и гидрогеологических данных Обводнению массива пород способствовало потепление (температура воздуха поднялась до +25С за довольно кратковременный срок), что способствовало увеличению концентрации напряжений в данном районе месторождения «Плато Расвумчорр» и привело к активизации сейсмической активности. Полученные статистическим способом значения по количеству атмосферных осадков и объемам водопритоков оказались критическими для данного случая активизации сейсмичности на месторождении «Плато Расвумчорр» в 2013 г. По результатам анализа данных были определены сейсмические события с энергией от 1.0Е+06 Дж и более, появлению которых предшествовало интенсивное снеготаяние (весенний период анализа данных) или длительные/обильные атмосферные осадки, и это связано с приближением водонасыщения пород к критическому значению обводненности, при котором в напряженном участке массива реализуется сильное сейсмическое событие. Этот временной интервал назван в исследованиях «предысторией», как предвестник критического водонасыщения массива пород. Данный диапазон «предыстории» равен семи дням, в этот период времени отмечалась активизация сейсмической активности в виде возникновения события с энергией от 1.0Е+07Дж и более или серии (три и более) событий с энергией 1.0Е+06Дж [Жукова, 2014]. Было проанализировано изменение значений по объемам водопритоков в рудоспусках до появления сильных событий. Полученные данные отображены
Значения по объемам водопритоков в осенний период 2011г. исключены из анализа в связи с реконструкцией АСКСМ-Р и приостановкой на это время регистрации сейсмических событий.
Из суммарных показателей объемов водопритоков (табл.3.3) за периоды «предыстории» минимальные значения водопритоков для каждого контрольного рудоспуска приняты как пороговые, которые указывают на повышенную обводненность массива пород. В ходе статистического анализа данных был определен критический уровень значений по объему водопритоков (табл.3.4) за временной диапазон «предыстории» замеров [Жукова, Самсонов,
Для ОКр ретроспективно был проведен аналогичный анализ данных, который показал, что из-за неравномерности производимых измерений количества водопритока (раз в пять-семь дней делается один замер) на Кукисвумчоррском и Юкспорском крыльях рудника проследить динамику изменения объема водопритоков в условиях решения поставленной задачи не возможно. Поэтому выделить критические значения и уровень, предшествующие реализации сильного сейсмического события не удалось.
Обработан массив сейсмических данных за весенний период (май, июнь) с 2004 по 2013г.г., выбраны естественные сейсмические события с энергией Е 1.0Е+06Дж, при этом обращалось внимание на полную сейсмическую картину до сильного события (количество и выделенная суммарная и максимальная энергия событий, зарегистрированных на исследуемом участке), исключены события или серия событий, которые были зарегистрированы после произведенного массового взрыва. В работе использованы результаты наблюдений за изменением высоты снежного покрова, проводимые ОЛБ на горно-лавинной станции «Центральная». При анализе оценивалось изменение данных по высоте снежного покрова и число совпадений проявления активизации сейсмической активности в данном районе. Так, на интервале времени, где отмечается спад значений высоты снежного покрова, наблюдается увеличение количества сейсмических событий с энергией от 1.0Е+06 до 1.0Е+09 Дж.
Диапазоны углов спада высоты снежного покрова разбиты условно, для каждого диапазона углов спада определено среднее ожидаемое время (в днях) возникновения сейсмособытий с энергией от 1.0Е+06Дж и более. Ретроспективно из базы данных были выбраны события с энергией от 1.0Е+06Дж и более. Ожидаемое время тревоги (возможное возникновение событий с энергией от 1.0Е+06Дж и более) определяется как максимальное число попаданий событий в указанный диапазон углов спада высоты снежного покрова с даты начала снеготаяния до даты зарегистрированного сейсмического события, ограниченный недельным интервалом.
Таким образом, в результате ретроспективного анализа данных сейсмических и метеорологических наблюдений были определены критические диапазоны значений углов спада высоты снежного покрова (табл.3.5 левый столбец), после превышения которых наблюдается всплеск сейсмичности в виде возникновения сейсмического события (Е 1.0Е+07 Дж) или серии событий (Е=1.0Е+06- 9.9Е+06 Дж).
Оценка экономического эффекта разработанных методических принципов учета влияния метеорологических и гидрогеологических факторов по выявлению периодов роста сейсмической активности
В рамках выполнения диссертационных исследований проводился комплексный анализ, результатами которого стало определение изменения параметров сейсмичности на основе оценки данных метеорологического, гидрогеологического и сейсмомониторинга Объединенной Кировской и Расвумчоррской подсистем БГМ АО «Апатит». На основе совместного анализа баз данных зарегистрированных сейсмических событий и данных метеорологических и гидрогеологических наблюдений, а также выявленных критических значений углов спада высоты снежного покрова и критического уровня значений по объемам водопритоков осуществляется оценка возможного роста сейсмоактивности района отрабатываемых месторождений. На рисунке 4.1 представлена общая схема комплексной оценки влияния метео-и гидрогеологических факторов для установления периодов сейсмической активности на рудниках АО «Апатит» [Козырев и др., 2015].
Общая схема комплексной оценки данных метео- и гидрогеологического мониторинга для выявления периодов сейсмической активности на рудниках АО «Апатит» Исходными данными являются: замеры ежесуточного контроля высоты снежного покрова на 9 часов утра, предоставляемые отделом лавинной безопасности; параметры сейсмических событий (координаты гипоцентра X, Y, Z, энергия Е (Дж), идентификатор события), получаемые с помощью непрерывного сейсмомониторинга, предоставляемые БГМ АО «Апатит»; ежедневные замеры объемов водопритоков в рудоспусках № 4, №5 и № 6 Расвумчоррского рудника, предоставляемые диспетчером; ежедневные метеорологические данные (Т (С), атмосферные осадки (мм) и др.).
При анализе сейсмического режима массива горных пород совместно с метеорологическими и гидрогеологическими наблюдениями приходится производить операции с большим объемом данных и осуществлять множество графических представлений табличных данных. Для комплексного анализа данных сейсмических, метеорологических и гидрогеологических наблюдений разработана программная система «Seasonal seismic activity Identification System» (SSAIS) [Жукова, Самсонов, 2014; Козырев и др., 2015], что позволило автоматизировать анализ данных, формируемых при мониторинге на горнодобывающих объектах, уменьшить временные и ресурсные затраты на их обработку, а именно: упрощен процесс доступа и извлечения анализируемых данных (создание каталогов сейсмических событий, промежуточный импорт в программу Excel, фильтрация параметров данных); автоматизирован процесс построения графиков временных рядов данных без использования сторонних приложений; представлена возможность расширенного выбора визуализации данных; наличие системы оповещения пользователя о возможной активизации сейсмичности с указанием конкретного временного интервала тревоги. На рисунке 4.2 изображена блок-схема программной системы «Seasonal seismic activity Identification System» (SSAIS).
Загрузка исходных данных Выбор анализируемого участка и временного диапазона Визуализация статистических данных в графическом виде Представление результатов Рисунок 4.2 - Блок-схема программной системы «SSAIS» Значимым блоком программной системы является блок выбора анализируемого участка и временного диапазона, т.к.от параметров выборки зависит конечный результат. Основными параметрами являются: 1) координаты исследуемого участка массива горных пород, на основании которых определяется область возможного возникновения усиления сейсмической активности; 2) энергетический диапазон сейсмических событий, зарегистрированных на анализируемом участке; 3) временной интервал, на основании которого осуществляется расчет диапазона «предыстории» замеров по объемам водопритоков, а также - ожидаемая энергия события(определяется с помощью графика повторяемости распределения сейсмических событий по энергии); 141 Итак, программная система «SSAIS» предназначена для выявления периодов активизации сейсмической активности в весенний и осенний периоды времени года посредством комплексной оценки данных метеорологических, гидрогеологических и сейсмических наблюдений.
Результаты перспективного анализа данных для выявления периодов активизации сейсмической активности с помощью программной системы «SSAIS»
Проведем комплексную оценку данных метеорологических, гидрогеологических и сейсмических наблюдений с помощью программной системы «SSAIS» для месторождения «Плато Расвумчорр» (2014г. и 2015г.), т.к. этот район становится особенно сейсмически активным в весенне-осенние периоды года.
Комплексная оценка данных 2014г.: По данным ОЛБ с 4 мая по 12 мая 2014г. наблюдается изменение высоты снежного покрова с 188 до 183 см.За данный временной период АСКСМ-Р зарегистрировано 5 событий с энергией от 1.0Е+03 до 1.6Е+04Дж. 12 мая при анализе программная система(ПС) выдает сообщение о возможном возникновении крупного (сильного) сейсмического события в период с 12 до 18 мая (рис. 4.3 - красный столбик указывает на то, что пользователем выбрана временная ступень анализа, и ПС рассчитан временной интервал тревоги с учетом «предыстории» изменения анализируемых параметров, об этом указано в сообщении - вверху окна).