Содержание к диссертации
Введение
1. Использование сейсмологических наблюдений для мониторинга геодинамических процессов 12
1.1. Системы сейсмологического мониторинга на рудниках и шахтах 13
1.1.1. Требования к характеристикам мониторинговых систем 15
1.1.2. Цели и задачи сейсмологического мониторинга 19
1.2. Деформационные процессы в земной коре и их связь с сейсмичностью 22
1.2.1. Способы измерения деформаций 23
1.2.2. Связь деформаций с сейсмичностью 28
1.2.3. Деформации земной поверхности над шахтными полями 32
1.3. Использование сейсмологических наблюдений для выявления и мониторинга развития карстовых полостей 39
1.3.1. Сейсмологический мониторинг природных карстовых процессов 41
1.3.2. Сейсмологические наблюдения на техногенных карстовых полостях 45
Выводы к главе 1 48
2. Особенности динамики сейсмической активности в пределах шахтных полей ВКМКС 49
2.1. Структура системы сейсмологического мониторинга 50
2.2. Регистрационные возможности мониторинговых систем 52
2.3. Временная динамика микросейсмической активности 59
2.4. Связь микросейсмической активности с горнотехническими условиями 64
2.4.1. Связь микросейсмической активности с отработкой продуктивных пластов 66
2.4.2. Влияние закладочных работ на выделение сейсмической энергии 68
2.4.3. Возраст горных выработок и микросейсмическая активность 71
Выводы к главе 2 84
3. Совместный анализ сейсмологических и маркшейдерских данных 86
3.1. Система мониторинга деформационных процессов на территории ВКМКС 88
3.2. Комплексный мониторинг геодинамических процессов в районе зоны обрушении на руднике СКРУ-2 91
3.3. Совместный анализ данных сейсмологического и маркшейдерского мониторинга 94
3.4. Прогнозирование деформационных процессов на основании данных сейсмологического мониторинга 98
3.5. Определение временного запаздывания между динамикой сейсмических и деформационных процессов 105
Выводы к главе 3 110
4. Сейсмологический мониторинг аварийной ситуации на руднике БКПРУ-1 112
4.1. Возникновение аварийной ситуации 113
4.2. Развертывание системы сейсмологического мониторинга 115
4.3. Характеристики регистрируемых сейсмических событий и особенности их обработки 122
4.4. Временная динамика микросейсмической активности 131
4.5. Пространственная динамика микросейсмической активности 137
Выводы к главе 4 143
Заключение 145
Список использованной литературы 147
- Требования к характеристикам мониторинговых систем
- Регистрационные возможности мониторинговых систем
- Прогнозирование деформационных процессов на основании данных сейсмологического мониторинга
- Пространственная динамика микросейсмической активности
Введение к работе
Актуальность проблемы
С середины 1980-х годов проблема повышенной геодинамической активности приобрела исключительную актуальность для территории Верхнекамского промышленного района. Этот район характеризуется аномально высоким уровнем техногенной нагрузки на недра, связанной с разработкой калийных рудников и месторождений нефти, эксплуатацией многочисленных водозаборов, влиянием Камского водохранилища и т.д. В результате накопившегося в течение последних 30-40 лет совокупного техногенного воздействия разноуровневая разломно-блоковая структура верхней части земной коры была выведена из равновесного состояния. Одним из проявлений данных процессов явились техногенные землетрясения, произошедшие на территории региона в 1993, 1995 и 1997 гг., причем землетрясение, произошедшее 5 января 1995 г., было самым сильным техногенным землетрясением в России (магнитуда mb=4.7) и привело к значительным разрушениям в горных выработках рудника СКРУ-2 (разрушение несущих целиков и обрушение кровли на участке 500х600 м) и оседаниям земной поверхности на 4.5 м (А.А. Маловичко, 1997, 1998; Барях, 1997; Красноштейн, 1997).
Интенсивная добыча полезных ископаемых неизбежно приводит к деформациям земной поверхности, которые на стадии активных оседаний могут превышать 400 мм/год (Барях, 1996; Лысков, 2010). Одной из важнейших задач при добыче калийной руды в данных условиях является сохранение целостности водозащитной толщи, так как ее разрушение неизбежно приводит к прорыву надсолевых вод в горные выработки и затоплению рудника. Подобные аварии имели место в 1986 г. и в 2006 г. на рудниках БКПРУ-3 и БКПРУ-1 соответственно. В последнем случае ситуация усугублялась тем, что на территории шахтного поля располагалась большая часть г. Березники с населением свыше 150 тыс. человек (Барях, 2009; Глебов, 2010).
Сейсмологический мониторинг, ведущийся на территории региона с 1995 г., дает большое количество информации как о процессах, связанных с деформированием и разрушением массива пород, непосредственно прилегающего к горным выработкам, так и о сейсмическом режиме Верхнекамского месторождения в целом. При этом накопленный к настоящему времени на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) опыт позволяет с уверенностью утверждать, что регистрируемые сейсмические события самым тесным образом связаны с геодинамическими процессами, и в первую очередь – с теми из них, которые связаны с техногенным воздействием на недра (Асанов, 2010; А.А. Маловичко, 1998; Д.А. Маловичко, 2004).
Исходя из вышеизложенного, разработка методов, позволяющих на основании данных сейсмологических наблюдений определять характеристики процессов, связанных с геодинамической активностью недр, является крайне актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить безопасность разработки месторождений полезных ископаемых на территории Верхнекамского региона.
Основная цель диссертационных исследований - разработка подходов и методик, позволяющих в условиях ВКМКС на основании данных локального и детального сейсмологического мониторинга эффективно осуществлять контроль процессов, связанных с техногенной геодинамической активностью в недрах.
Идея работы заключается в детальном анализе микросейсмической активности, регистрируемой системами сейсмологического мониторинга, и выявление ее взаимосвязи с процессами деформирования и разрушения, протекающими в массивах горных пород, подвергающихся техногенному воздействию.
Задачи исследований. Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, основными из которых являются:
анализ динамики горных работ на рудниках Верхнекамского месторождения и сопоставление ее с пространственной и временной изменчивостью микросейсмической активности;
разработка методики, позволяющей оценить влияние каждого из горнотехнических факторов на сейсмический режим;
анализ данных повторного нивелирования над шахтными полями ВКМКС, выбор наиболее информативных параметров, характеризующих процесс деформирования подработанной толщи и сопоставление их с результатами сейсмологического мониторинга;
совершенствование алгоритмов обработки микросейсмических событий для обеспечения надежной оценки их параметров в условиях слабо консолидированных толщ и высокого уровня техногенных помех;
разработка подходов, позволяющих проводить корреляцию динамики микросейсмической активности с развитием опасных карстовых процессов.
Методы исследований. Применен комплекс методов, включающий в себя: анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта в области сейсмологического и геодинамического мониторинга природных и техногенных объектов; разработку программного обеспечения и применение компьютерных технологий для обработки и анализа сейсмограмм и баз данных сейсмологических наблюдений; комплексный анализ данных о микросейсмической активности, горнотехнической и геологической обстановке; верификацию полученных зависимостей и разработанных методик.
Защищаемые положения:
-
Для рудников ВКМКС установлены количественные характеристики пространственного и временного режима микросейсмической активности в пределах подработанных участков шахтных полей, основывающиеся на учете конкретных горнотехнических условий (количество отработанных пластов, наличие закладки, возраст выработок) и обеспечивающие оценку периода сохранения устойчивости кровли горных выработок.
-
Разработана методика прогнозирования оседаний земной поверхности в пределах подработанных участков шахтных полей, базирующаяся на использовании данных долговременного высокоразрешающего сейсмологи-
ческого мониторинга процессов деформирования и разрушения в массиве горных пород.
3. Предложена методика оперативного контроля активно развивающегося соляного карста, базирующаяся на наземно-скважинных системах детального сейсмического мониторинга и позволяющая осуществлять прогнозирование во времени и в пространстве характера развития карстового процесса.
Научная новизна:
-
Во временной динамике микросейсмической активности в горных выработках выявлены стадии, соответствующие изменению геомеханического состояния подработанного породного массива.
-
Для рудников ВКМКС впервые установлены корреляционные зависимости, связывающие динамику микросейсмической активности на уровне горных выработок и развитие деформационных процессов в подработанном массиве.
-
Установлены характеристики сейсмических сигналов, формирующихся при активном росте карстовой полости, и разработана методика определения их основных параметров.
-
Отработана и реализована методика прогнозирования развития карстовой полости в режиме реального времени на основании данных детального сейсмологического мониторинга.
Практическая реализация.
Результаты исследований с 1995 г. активно используются при обработке данных сейсмологических наблюдений на рудниках ВКМКС и, совместно с данными других методов мониторинга, служат основой для корректировки планов закладочных работ на отработанных участках шахтных полей. Программные и методические разработки, созданные автором для выявления активно развивающегося карста при помощи локальных сейсмических групп, послужили основой для мониторинга аварийной ситуации, связанной с затоплением рудника БКПРУ-1, в режиме, близком к реальному времени.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечиваются применением современных методов анализа, привлечением обширных фактических материалов по работе рудников и большого объема данных сейсмологического и маркшейдерского мониторинга. Используемый при исследованиях каталог сейсмических событий насчитывает более 10 000 событий, зафиксированных в процессе 15-летних непрерывных сейсмологических наблюдений на территории рудников ВКМКС. Режимные маркшейдерские наблюдения ведутся в течение всего периода эксплуатации месторождения, при этом сеть измерений включает в себя более 6000 грунтовых и стеновых реперов. Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием полученных зависимостей теоретическим представлениям о динамике процессов деформирования и разрушения в породном массиве, а также сходимостью прогнозных значений с натурными измерениями и наблюдениями.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на различных конференциях и совещаниях: на Международном симпозиуме SPM-95 «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (Москва, 1995), на ежегодных региональных конференциях Пермского госуниверситета (1995, 1997, 1999), на Х Межотраслевом координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, 1997), на Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (Екатеринбург, 1997), на 5-м (Йоханнесбург, 2001) и 7-м (Далянь, 2009) Международных симпозиумах по горным ударам и сейсмичности в рудниках, на научных сессиях Горного института УрО РАН (1998 - 2010), на Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Екатеринбург, 1998), на Международной конференции «Горная геофизика 98» (Санкт-Петербург, 1998), на Международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (Екатеринбург, 1998), на 101-й ежегодной конференции Канадского института горного дела, металлургии и нефти (Калгари, 1999), на XXVII (Лиссабон, 2000), XXIX (Потсдам, 2004) и XXXII (Монпелье, 2010) Генеральных ассамблеях Европейского сейсмологического сообщества, на I Всероссийском совещании «Мониторинг геологической среды на объектах горнодобывающей промышленности» (Березники, 1999), на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва - Санкт-Петербург, 1999), на Международной конференции «Моделирование стратегии процессов освоения георесурсов» (Волгоград-Пермь, 2001), на 2-й Всероссийской конференции «Геофизика и математика», (Пермь, 2001), на 29-й сессии Международного семинара им. Д.Г.Успенского, (Екатеринбург, 2002), на 6-й Международной сейсмологической школе (Апатиты, 2011).
Исследования по теме диссертации были поддержаны и частично финансировались за счет грантов РФФИ № 02-05-96410 «Влияние крупных промышленных взрывов на устойчивость ответственных сооружений и объектов в зонах повышенной сейсмической и геодинамической активности», № 04-05-96048 «Использование механизмов сейсмических событий на калийных рудниках для изучения состояния подработанного массива» и № 07-05-97624 «Разработка методики выявления карстовых полостей и оценки динамики их развития по данным локального сейсмологического мониторинга».
Ряд научных результатов получен в 2007-2008 гг. в ходе выполнения исследований в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы».
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа, из них 3 – в реферируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК.
Структура и объем работы
Требования к характеристикам мониторинговых систем
Любая мониторинговая сеть строится с учетом задач, которые предстоит решать на конкретном горнодобывающем объекте (Вознесенский, 1994). При этом подбираются оптимальные параметры сети наблюдений (плотность, тип датчиков) такие, чтобы можно было достичь приемлемой точности локации и обеспечить процесс обработки достаточным потоком информации.
Сравнивая показатели сейсмологических сетей на различных объектах, можно отметить, что в наиболее выигрышном положении находятся те из них, где площадь контроля невелика. Это, прежде всего, рудники Канады и золотые шахты Австралии и ЮАР, где плотность сети достигает 6 пунктов/км2 и более, при этом все датчики или большая их часть являются трех-компонентными. В России наиболее плотная сеть действует на Таштаголь-ском руднике, но при этом регистрируется только вертикальная компонента. Высокая плотность сети сказывается, главным образом, на точности локации очагов, поэтому ошибка определения координат эпицентра для плотных сетей не превышает 10-20 м.
Для успешного решения задач, стоящих при проведении сейсмологического мониторинга, необходимо обеспечить получение кондиционных данных, то есть обеспечить достаточную представительность по энергетическому диапазону, требуемую точность определения координат гипоцентров, достаточный частотный диапазон полосы пропускания сейсмического канала и т.п.
Точность определения координат гипоцентров сейсмических событий зависит от плотности сети сейсмопавильонов и того, насколько точно и детально известно скоростное строение среды, в которой распространяется сей смический сигнал. Поскольку очаг сейсмического события имеет конечный размер, то достижимая точность определения положения очагов всех событий в заданной области должна быть соразмерна размеру очагов с магниту-дой, определяющей чувствительность системы сеисмомониторинга в данной области, т.е. с минимальной магнитудой Mmin, выше которой система фиксирует все события с приемлемым отношением сигнал/помеха.
При наличии высококачественных данных на как минимум 6 сейсмопа-вильонах с трехкомпонентными сейсмоприемниками и приемлемого их расположения относительно очага, ошибка оценки местоположения очага может быть уменьшена до 3% от среднего гипоцентрального расстояния для сей-смопавильонов, используемых при локации (Mendecki, 1997). Однако в реальных условиях точность локации составляет, как правило, 7-12% от среднего гипоцентрального расстояния.
Характеристикой, не менее важной, чем точность определения координат гипоцентров, является чувствительность мониторинговой системы, то есть минимальная энергия событий, начиная с которой они регистрируются без пропусков. В общем случае, для планового сейсмологического мониторинга типичным требованием является единообразная регистрация все событий с моментными магнитудами в диапазоне -2.0 тнк +3.5 (Mendecki, 2007). Моментную магнитуду (магнитуду Хэнкса-Канамори) можно определить по следующей формуле (Kanamori, Anderson, 1975; Kanamori, 1977; Hanks, Kanamori, 1979)
Для того, чтобы оценить какой частотный диапазон является приемлемым для типичных сейсмических событий, можно воспользоваться формулой (Mendecki et al., 2007): где/о - угловая частота, Aa- сброс напряжения, vs - скорость S-волн. Это же выражение представлено в графическом виде на рис. 1.1.
Если рассмотреть типичный сброс напряжения в очаге величиной 1 МПа, то можно видеть, что записи события с магнитудой -2.0 будут иметь угловую частоту приблизительно 1200 Гц, тогда как для события с магнитудой +3.5 угловая частота уже будет в районе 2 Гц. Для того, чтобы точно оценить геометрический момент по спектральному плато сейсмических сигналов, сейсмограммы должны содержать частотный диапазон с низшим значением по меньшей мере/У2. Для аккуратной оценки излученной сейсмической энергии, сейсмические записи должны содержать частоты вплоть до 5f0. Таким образом, в общем случае частотный диапазон системы сейсмологического мониторинга (включая датчики и электронные модули сбора данных) должен составлять от 1 до 2400 Гц.
Вновь используя величину сброса напряжения в 1 МПа и типичные значения плотности, модуля сдвига и скорости S- волн для горных пород, можно увидеть, что событие с магнитудой +3.5 приведет к максимальному значению скорости смещения 0.1 м/с на удалении 50 м от очага. Небольшое событие с магнитудой -2.0 возбудит сейсмический сигнал с амплитудой 10"5 м/с на расстоянии 500 м от очага. На практике данное значение еще меньше - порядка 10"6 м/с. Поскольку для качественной обработки сейсмических записей требуется отношение сигнал/помеха, превышающее 10, то системы сейсмомони торинга должны обеспечивать надежную регистрацию сейсмических сигналов с максимальной амплитудой по меньшей мере 0.1 м/с при пиковом уровне микросейсмического шума 10" м/с. Таким образом динамический диапазон регистрирующей системы должен достигать, по меньшей мере, 6 порядков или 120 дБ.
Необходимо отметить, что соблюдение всех выше изложенных требований позволяет создать «идеальную» систему сейсмологического мониторинга, то есть такую, которая будет без искажений регистрировать сейсмические события во всем энергетическом диапазоне, возможном для сейсмичности на горнодобывающих объектах (за исключением, возможно, техногенных землетрясений) и на всех разумных эпицентральных расстояниях (первые десятки метров - первые км). Вместе с тем, обеспечить требуемый для такой системы частотный и динамический диапазоны и уровень шумов очень непросто, да и не всегда необходимо. Часто, исходя из реальных горнотехнических условий и задач, стоящих перед сейсмическим мониторингом (например, региональные наблюдения, или мониторинг отдельного локального объекта) целевой диапазон магнитуд и эпицентральных расстояний может быть существенно ограничен сверху и/или снизу, что заметно снижает требования к частотному и динамическому диапазонам регистрирующей аппаратуры.
Регистрационные возможности мониторинговых систем
При анализе данных сейсмологического мониторинга необходимо иметь четкое представление о качестве регистрируемых данных, то есть, в первую очередь, учитывать ограничения, накладываемые мониторинговой системой - частотный и динамический диапазоны аппаратуры, уровень собственных шумов и многое другое. Но наиболее важной характеристикой системы мониторинга являются ее предельные регистрационные возможности. Для каждого конкретного участка шахтного поля они определяются минимальной представительно регистрируемой магнитудой сейсмических событий Mmin -т.е. минимальной магнитудой, начиная с которой сейсмические события регистрируются без пропусков. При ее расчете предполагается, что сейсмический сигнал должен быть записан не менее чем тремя сейсмопавильонами с отношением сигнал/помеха не ниже 2. Выполнение этого условия необходимо для уверенного автоматического выделения сигнала на фоне микросейсм и возможности последующего определения координат его эпицентра.
Очевидно, что для определения регистрационных возможностей мониторинговой системы в какой-либо точке шахтного поля необходимо знать зависимость Мті„ от расстояния R для каждого из сейсмопавильонов. Для решения данной задачи были проведены отдельные опытно-методические работы (Мониторинг природной и техногенной сейсмичности ..., 2001), в которых использовался следующий подход:
для отдельного сейсмопавильона на основании анализа локальных, региональных и мировых каталогов сейсмических событий (как природных, так и техногенных) выбирались зарегистрированные и пропущенные события;
обе категории событий наносились на график в координатах расстоя-ние/магнитуда, и на основании их распределения определялась зависимость, описывающая предельные регистрационные возможности для данного сейсмопавильона.
Пример определения регистрационных возможностей для одного из сейсмопавильонов мониторинговой сети на рудниках ОАО «Сильвинит» представлен на рис. 2.3.
На основании анализа данных по различным сейсмопавильонам было установлено, что для условий ВКМКС минимальная регистрируемая магни-туда может быть определена по формуле ли = 1.5-1оЫД) + (2.1) где R - расстояние от сейсмопавильона до гипоцентра в км, b - коэффициент, зависящий от уровня помех в данной точке. Для рудников ВКМКС коэффициент Ь, как правило, находится в диапазоне от -1.5 до 0.2.
Поскольку, как уже было сказано, наиболее длительные временные ряды непрерывных сейсмологических наблюдений имеются для территорий рудников СКРУ-1 и СКРУ-2, рассматривать особенности определения регистрационных возможностей мониторинговой системы в дальнейшем будем на примере этих двух шахтных полей.
На рис. 2.4 представлена карта значений Мтіп для всей территории рудников ОАО «Сильвинит». Как видно из этого рисунка, действующая мониторинговая система позволяет представительно регистрировать сейсмические события начиная с магнитуды -0.4 практически на всей контролируемой территории.
Несколько хуже регистрационные возможности лишь на территории рудника СКРУ-3, что обусловлено особенностями горнотехнических условий на этом шахтном поле. По состоянию на начало 2011 г. микросейсмичекая активность здесь крайне низка (процессы разрушения реализуются в виде событий с очень низкой энергией, регистрируемых лишь при детальных исследованиях на локальных участках). Как следствие, на данный момент система сейсмологического мониторинга на данном шахтном поле выполняет лишь функции контроля за региональным сейсмическим режимом, и сгущение се ти сейсмопавильонов будет выполнено только тогда, когда в этом появится практический смысл.
При наличии достаточно большого объема данных мониторинга определить средние регистрационные возможности на каком-либо участке территории можно более точно. Особенности сейсмического режима отдельных сейсмоактивных зон в сейсмологии принято характеризовать построением графика повторяемости землетрясений (микроземлетрясений). Он отражает универсальный характер разрушения в геофизической среде и известен как закон Гутенберга - Рихтера (Рихтер, 1963): где М- магнитуда, Е -энергия, а и Ь, а и у- параметры графика повторяемости, N - число землетрясений с магнитудой М М0 (или Е Е0). Число N обычно нормировано на единичный интервал времени (год) и на некоторую стандартную площадь S0.
Поскольку за 16 лет проведения наблюдений на рудниках СКРУ-1 и СКРУ-2 зарегистрировано свыше 8000 сейсмических событий с энергией от единиц Дж до 100 кДж, была выполнена оценка регистрационных возможностей с использованием этих данных.
В первую очередь, была выполнена подобная оценка для северовосточного края шахтного поля СКРУ-2, непосредственно прилегающего к району зоны обрушения, образовавшейся после землетрясения 1995 г. Именно на этом участке имеется наиболее длинный временной ряд представительных наблюдений (свыше 15 лет), а также здесь в течение всего периода сейсмологического мониторинга обеспечивалась максимальная плотность мониторинговой сети. На рис. 2.5 представлены графики повторяемости сейсмических событий для данной части шахтного поля, рассчитанные для трех временных интервалов протяженностью по 5 лет (1995-1999, 2000-2004, 2005-2009 года). Как видно из этого рисунка, в течение всего периода проведения сейсмологических наблюдений качество получаемых данных было довольно постоянным и обеспечивалась представительная регистрация сейсмических событий начиная с энергетического класса К=2.1, что соответствует магнитуде Mmi„=-\2. Если сравнить данное значение с расчетной картой регистрационных возможностей (рис. 2.4), то можно отметить, что в целом оно хорошо согласуется с теоретической оценкой, хотя и превосходит ее на 0.2 магнитуды. Это обусловлено тем, что при ручной обработке сейсмограмм интерпретатор активно использует цифровые методы обработки сигнала, позволяющие эффективно подавлять помехи и провести обработку записей сейсмических событий, для которых исходное отношение сигнал/помеха зачастую даже менее 1.
Для сравнения на рис. 2.6 представлены графики повторяемости для шахтного поля СКРУ-1 в целом. Они также рассчитаны для пятилетних интервалов (2000-2004, 2005-2009 года). Сопоставляя их с рис. 2.5, можно отметить, что для данной территории минимальный представительный класс К=Ъ.в (Мті„= -0.6), то есть минимальная представительно регистрируемая энергия сейсмических событий на порядок выше, чем для северо-востока СКРУ-2. События с энергетическим классом А" 2.2 мониторинговая система на данном руднике практически не регистрирует. Данный результат вполне ожидаем и обусловлен довольно низкой плотностью сети сейсмопавильонов.
При сравнении с расчетными регистрационными способностями, как и в предыдущем случае, можно заключить, что фактическое значение Мт\п превосходит теоретическую оценку на 0.2. Таким образом, можно сделать вывод, что при ручной обработке сейсмограмм значение минимальной представительно регистрируемой магнитуды Мтт снижается, по сравнению с оценкой для автоматического детектирования событий, на 0.2. Это соответствует уменьшению сейсмической энергии представительно регистрируемых событий в 2 раза.
Прогнозирование деформационных процессов на основании данных сейсмологического мониторинга
Наличие тесной корреляционной связи между микросейсмической активностью и сдвижениями земной поверхности позволило предположить, что данные сейсмологического мониторинга можно использовать для оценки интенсивности деформационных процессов. Это представляется особенно перспективным в связи с тем, что, в отличие от маркшейдерских наблюдений, сейсмологический мониторинг является непрерывным во времени и пространстве, а также обладает очень высокой оперативностью.
Для решения данной задачи был выбран участок шахтного поля, включающий в себя восточную часть зоны обрушения и прилегающее к ней шахтное поле (рис. 3.6). Выбор этого места обусловлен тем, что именно для него имеются наиболее полные данные как маркшейдерских, так и сейсмологических наблюдений. Кроме того, добыча здесь руды велась на трех продуктивных пластах, что, как показано в главе 2, обуславливает повышенную микросейсмическую активность и деформации подработанного массива. Всего через данный участок проходят 4 нивелировочных профиля - №№ 6, 7, 11 и 12, характеризующихся высокой детальностью наблюдений. Сейсмический каталог для данной территории насчитывает свыше 3000 событий.
На рис. 3.7 представлен график повторяемости сейсмических событий для рассматриваемой территории. Как видно из этого рисунка, минимальный представительно регистрируемый класс Ктт=2Л, а ширина зоны представительной регистрации составляет 2.5 класса. Этот результат является лучшим для всей территории, охваченной сейсмологическим мониторингом. Поскольку из 4 упомянутых нивелировочных профилей два (№№ 6 и 11) задевают лишь край анализируемого участка, в дальнейшем целесообразно их из рассмотрения исключить, сосредоточившись на данных по профилям №№ 6 и 7 (рис. 3.8). Именно эти два профиля характеризуются максимальной амплитудой оседаний и ярко выраженной временной динамикой скоростей смещения (рис. 3.9). В процессе исследований были рассмотрены различные параметры, характеризующие сейсмические и деформационные процессы. Для сейсмической активности это средняя энергия события Ет, количество событий за единицу времени N, ко личество сейсмической энергии, выделяющейся на контролируемой территории за единицу времени Ez и плотность выделения сейсмической энергии Es. Для описания динамики деформационных процессов использовались оседания земной поверхности 77, их средние скорости за интервал времени TJ И деформационный параметр у, представляющий собой сдвиговую составляющую деформации (Методика прогноза оседаний ..., 2001).
Наилучшую корреляцию между собой показали плотность выделения сейсмической энергии Es и скорости оседания земной поверхности 77 . Однако при анализе данных следует учитывать, что сейсмологическая сеть регистрирует не все сейсмические события, происходящие на территории шахт ного поля, а лишь наиболее крупные из них. В связи с этим необходимо обеспечить переход от зарегистрированной сейсмической энергии к полной выделившейся. Для решения данной задачи в первую очередь производится очистка сейсмического каталога от событий, лежащих ниже предела представительной регистрации (способ его определения для каждой точки шахтного поля описан в разделе 2.2). Необходимость такой очистки обусловлена тем, что регистрация или пропуск слишком слабых событий носит случайный характер, и в дальнейшем учесть их вклад в суммарную энергию невозможно.
Далее, для определения полной выделившейся сейсмической энергии можно воспользоваться фрактальными свойствами энергетических характеристик сейсмичности, а именно законом Гуттенберга - Рихтера (см. формулу 2.2). В общем случае, в данном законе диапазон энергий не ограничен ни сверху, ни снизу. Однако известно, что параметры графика повторяемости а и у постоянны лишь для сейсмических событий со сходной природой. В частности, на горнодобывающих объектах этот график носит, как минимум, бимодальный характер, и для горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений угол наклона у значительно отличается от такового для сейсмических событий, связанных с динамическим разрушением небольших объемов пород в окрестностях горных выработок (Маловичко А.А., 1998г; Дягилев, 2002). Исходя из этого, следует ограничивать энергетический диапазон рассматриваемых событий минимальным энергетическим классом Ктіп и максимальным Ктах, которые соответствуют минимальной и максимальной сейсмической энергии событий, связанных с изучаемыми процессами (энергетический класс К равен десятичному логарифму сейсмической энергии Е). В этом случае, исходя из формулы (2.2), суммарное выделение сейсмической энергии Ez на единичной площади за единичное время будет равно
Как видно из последней формулы, поправочный коэффициент зависит только от регистрационных возможностей мониторинговой системы в данной точке шахтного поля и наиболее стабильных характеристик микросейсмического режима - целевого диапазона энергетических классов и наклона графика повторяемости у, что делает применение данной формулы весьма удобной на практике. Из анализа многолетних данных сейсмологического мониторинга установлено, что для рудников ВКМКС энергетический диапазон сейсмических событий, связанных с процессами разрушения горных пород в окрестностях выработок, можно ограничить значениями Ктт = 1 и Ктах = 6.
Таким образом, после определения полной выделившейся сейсмической энергии были выполнены расчеты в скользящих пространственно-временных окнах скоростей оседаний г/ и плотности выделения сейсмической энергии Es. Оптимизация пространственных и временных окон позволила определить зависимость Es от г] с высоким коэффициентом корреляции (R-0.8).
Установление подобной зависимости дало возможность перейти непосредственно к прогнозированию оседаний земной поверхности. На основании данных сейсмологического мониторинга в мае 2000 г. был выполнен прогноз оседаний земной поверхности за период с июня 1999 г. по июнь 2000 г. для участка шахтного поля, прилегающего к зоне обрушения (рис. 3.10, а).
После проведения в июне 2000 г. очередной серии маркшейдерских наблюдений была рассчитана карта фактических оседаний (рис. 3.10, б). Сопоставление этих карт показывает наличие хорошей сходимости прогнозных и наблюденных оседаний в пределах зоны, охваченной нивелировочными профилями. И на прогнозной карте, и на карте фактических оседаний четко прослеживаются зоны повышенных значений к западу и востоку от зоны обрушения. Вместе с тем, существенные различия в максимальных значениях прогнозных и фактических оседаний объясняются тем, что максимальные прогнозные оседания попали на участки шахтного поля, не пересекаемые нивелировочными профилями.
Более корректным будет сопоставление прогнозных и фактических оседаний по какому-нибудь нивелировочному профилю. На рис. 3.11 приведены результаты такого сравнения для нивелировочного профиля №7, проходящего к востоку от зоны обрушения. Из приведенного рисунка видно, что наблюдается как хорошее совпадение пространственного расположения максимумов, так и довольно точное прогнозирование абсолютного уровня оседаний.
Пространственная динамика микросейсмической активности
Анализ направления роста карстовой воронки показывает, что в целом он определялся горно-техническими условиями, а именно - границей зоны двухпластовой отработки и охранного целика скважины №17 (рис. 4.15). Наличие этой границы, в сочетании с неполной закладкой отработанного пространства, отсутствием зон смягчения около целика и наличием аномалий в геологическом строении, обусловило возникновение высоких напряжений в водозащитной толще, достигших критических значений (А.А. Барях, 2009).
Эти напряжения, по всей видимости, привели к развитию зоны субвертикальной трещиноватости. Именно по этой зоне произошел прорыв надсо-левых вод в горные выработки и вдоль нее происходило развитие провальной воронки.
Однако, при сохранении общего тренда, направление роста периодически изменялось от восточного до северного. Кроме того, происходило увеличение размеров воронки и в направлении, перпендикулярном его длинной оси, преимущественно - в южном и юго-восточном.
В течение первых же дней сейсмологического мониторинга образовавшегося провала было установлено, что эпицентры регистрируемых событий имеют тенденцию к пространственной миграции. При сопоставлении пространственной динамики микросейсмической активности с ростом провала стало очевидно, что возрастание интенсивности микросейсмической актив ности возле одного из бортов предшествует развитию провала в данном направлении (рис. 4.16).
Несмотря на то, что на качественном уровне наличие связи между миграцией микросейсмической активности и развитием провала является достаточно очевидным, количественный анализ этой зависимости представляет собой довольно сложную задачу. Существенной проблемой явился выбор способа, позволяющего формально оценить наличие корреляции между этими явлениями. Для решения этой задачи был реализован следующий подход (Шулаков, 2009):
- проанализирован рост контура провала за период с июля 2007 г. по декабрь 2008 г., т.е. за весь период его активного развития, а также пространственная динамика микросейсмической активности за это же время;
-сейсмических событий в период с 25 июля по 4 сентября 2007 г. на основании этого анализа весь провал и прилегающая к нему территория разделены на 4 сектора (условно названные «Северный», «Южный», «Западный» и «Восточный»), границы секторов отражают положение осей провала в разные периоды времени. Их краевые части частично перекрываются (рис. 4.17); в пределах каждого из секторов рассчитывалась скорость роста площади провала S (внешнего и внутреннего контуров), а также динамика сейсмической активности для событий обоих типов; для каждого сектора проводилось сопоставление динамики скорости роста провала в его пределах с выделением сейсмической энергии Е в каждом из 4 секторов.
Графики временной динамики выделения сейсмической энергии для событий 1 -го типа (глубинных) и скорости роста внутреннего контура провала в пределах каждого из секторов представлены на рис. 4.18. Как видно из этих графиков, рост провала в течение всего периода его активного развития про 140 исходил не равномерно, отмечались как периоды «затишья», когда увеличения размеров воронки практически не происходило, так и резкие, скачкообразные возрастания ее размеров (до 1500 м2/сут). Можно заметить, что в отдельные моменты времени рост контура провала происходит практически с равной вероятностью как в пределах лишь одного из секторов, так и захватывая 2-3 из них. Сходная ситуация отмечается и для микросейсмической активности - наблюдаются существенные колебания выделения энергии (от 0 до нескольких сотен кДж/сут), причем всплески сейсмической активности могут быть как локальными - охватывающими только отдельный сектор или его часть, так и включающими в себя практически всю контролируемую территорию.
Для того, чтобы установить наличие связи между пространственной динамикой микросейсмической активности и направлением роста карстовой полости, был выполнен расчет функций взаимной корреляции между выделением сейсмической энергии Ez и скоростью роста провала S . Расчет выподнялся для всех пар графиков, то есть «каждый сектор с каждым». Можно предположить, что при наличии связи максимальная корреляция должна наблюдаться между графиками, относящимися к одному сектору. Значимые коэффициенты корреляции R были получены лишь для пар «север-север» и «восток-восток» - 0.65 и 0.66 соответственно. Для остальных пар графиков значение R не превысило 0.4. Отсутствие корреляции между сейсмической активностью и развитием воронки в пределах западного и южного секторов объясняется, по всей видимости, тем, что на этих участках интенсивность геодинамическх процессов была весьма низкой и, как следствие, и динамика роста провала, и выделение сейсмической энергии были в значительной степени подвержены влиянию целого ряда случайных факторов.
На рис. 4.19 представлена зависимость коэффициента корреляции от временного сдвига между микросейсмической активностью и ростом провала для северного и восточного секторов. Как видно из этого рисунка, в обоих случаях прослеживается четкое временное запаздывание между динамикой выделения сейсмической энергии и скоростью роста воронки. Для северного сектора величина этого запаздывания составила 28 суток, для восточного -37 суток. Эти цифры хорошо согласуются с оценкой временной задержки между всплесками сейсмической активности и ростом площади воронки, полученными для всего провала в целом (см. рис. 4.14).
Таким образом, установлено, что высокоразрешающий сейсмологический мониторинг является эффективным методом, позволяющим не только в режиме, близком к реальному времени, отслеживать развитие активно растущих карстовых полостей, но и заблаговременно (за 15-30 дней) прогнозировать динамику и направление их роста.
