Исследование акустической и электромагнитной эмиссии для прогноза сейсмичности и удароопасности массива пород : На примере апатитовых рудников Хибин Паничкин, Сергей Анатольевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Хибинский массив является единственным в России и СНГ крупным поставщиком апатитовых руд - важнейшего сырья для производства фосфорных минеральных удобрений. В настоящее время более 40% добычи апатитовых руд осуществляется подземным способом. Дальнейшее развитие горнодобычных работ в Хибинах связывают с вовлечением в эксплуатацию запасов руд на более глубоких горизонтах, отработка которых повлечет резкое усилешіе динамических проявлений горного давления. Уже в настоящее время на нижних горизонтах Кировского рудника АО "Апатит" разрушения в выработках в зонах опорного давления достигают значительных размеров; имеют место интенсивное заколообразоваїше, стреляние пород, зафиксированы микроудары, горные и горно-тектонические удары. Интенсивность проявлений и масштабы последствий значимо возрастают с глубиной.

В последние годы в зоне действия рудников стали возникать мелкоочаговые техногенные землетрясения с магнитудой 3-4, следствием которых явились значительные разрушения горных выработок, подземных коммушшаций и механизмов, повреждения промышленных объектов и жилых зданий в близлежащем поселке Кукисвумчорр. В качестве основного фактора, инициирующего сейсмичность в массиве, и как следствие динамические явления в горных вьфаботках, выступают технологические массовые взрывы при отбойке руды.

В связи с этим, внедрение эффективных методов контроля и разработка способов прогноза динамических явлений в массиве и в горных вьфаботках позволит повысить безопасность работ на апатитовых рудниках, что и определяет актуальность настоящих исследований.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методик локальной оценки удароопасности горных выработок по параметрам акустической эмиссии и прогноза сильных сейсмических событий (Е>10⁴ Дж) после массовых взрывов по параметрам акустической (АЭ) и электромагнитной (ЭМИ) эмиссии применительно к условиям апатитовых рудников.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании связи параметров сигналов АЭ-ЭМИ с процессами разрушения массива пород на различных масштабных уровнях.

Исходя из цели исследований и степени изученности вопроса в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать параметры акустической эмиссии, в том числе амплитудные характеристики сигналов АЭ, при деформировании пород и руд Хибинского массива.

2. Определить информативные критерии для локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках по параметрам АЭ.

3. Обосновать механизм подготовки сейсмических событий в массиве пород после воздействия на него массового взрыва и методические положения, позволяющие выполнять прогноз сильных сейсмических событий по времени методами АЭ и ЭМИ.

4. Выявить информативные предвестники и определить критерии для прогноза сильных сейсмических событий по времени в массиве пород после массовых взрывов по комплексу параметров АЭ-ЭМИ.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые в работе:

1. Амплитудное распределение сигналов АЭ отражает масштабный уровень процессов разрушения и может быть использовано для оценки удароопасности пород и прогноза динамических явлений в горных выработках.

2. Процесс перераспределения энергетических параметров АЭ и ЭМИ носит стадийный характер и отражает последовательность развития и масштабный уровень разрушений в массиве, что позволяет выполнять прогноз сейсмических событий с Е>10⁴ Дж по времени после массовых взрывов. Выделены следующие основные стадии: 1- стадия подготовки сильных сейсмических событий; 2- стадия реализации сильных сейсмических событий; 3- стадия затишья.

3. Энергетические и статистические параметры сигналов АЭ и ЭМИ позволяют осуществлять выделение стадий подготовки и реализации сильных сейсмических событий в реальном масштабе времени. Информативными параметрами являются: для выделения стадии подготовки -lg!Ea3, D(lgZEaa); для выделения стадии реализации - lgSE_3MH, lgEcp. эми и их дисперсии (где: ЕЕаэ и ЕЕэми - суммарная энергия АЭ и ЭМИ за цикл измерений равный 7 мин; lgE_cp.3MH - средняя энергия ЭМИ за цикл измерений; D - дисперсия).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов заключается в следующем:

4. Разработана методика локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках методом АЭ применительно к апатито-нефелиновым месторождениям Хибинского массива. В основе методики лежит комплексный анализ интенсивности и амплитудного распределения импульсов АЭ, что позволяет отслеживать процесс разрушения не только количественно, но и качественно, и тем самым прогнозировать динамические события в выработках.

5. Впервые, в натурных условиях, изучено временное распределение энергетических параметров сигналов АЭ и ЭМИ и установлена взаимосвязь между их вариациями и процессами подготовки и реализации сильных сейсмических событий после воздействия на массив массового взрыва.

6. Разработана методика, позволяющая по комплексу энергетических и статистических параметров сигналов АЭ и ЭМИ выполнять краткосрочный прогноз сильных сейсмических событий по времени в

апатито-нефелиновых массивах после массового взрыва. Основой предлагаемой методики является разбиение временного интервала наблюдений сигналов АЭ и ЭМИ на стадии, которые связаны с процессами разрушения пород в массиве и отражают масштабный уровень этих разрушений.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ включала.

1. - обзор литературы и результатов предыдущих исследований;

2. - изучение акустоэмисснонных свойств пород и руд Хибинского массива в лабораторных и натурных условиях;

3. - комплексные исследования параметров акустической и электромагнитной эмиссии, наведенных в массиве после массовых взрывов;

4. - обработку результатов наблюдений методами математической статистики;

5. - испытание и внедрение методик и технических средств контроля на апатитовых рудниках.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Представительным объемом лабораторных и натурных наблюдений.

2. Сходимостью определений категории удароопасности в горных выработках, выполненных методом акустической эмиссии, и утвержденными на апатитовых рудшжах методами: дискования керна (МДК) и контроля за разрушением скважин (КРС).

3. Совпадением прогнозных оценок времени реализации сильных сейсмических событий, полученных по комплексу прогностических критериев акустической и электромапштнои эмиссии, с данными автоматизированной системы контроля сейсмичности массива (АСК СМ) о времени и месте реализации этих событий

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Внедрение акустоэмнесионного метода на апатитовых рудниках
позволило значительно повысить надежность локального кошроля
удароопасности горных выработок.

2. Впервые обоснована возможность использования комплекса
эмиссионных методов (АЭ-ЭМИ) для прогноза сильных сейсмических
событий по времени в реальном массиве. Показана целесообразность
включения эмиссионной системы (в качестве подсистемы) в информа
ционную систему объединенного Кировского рудника, что позволит
совместно с АСК СМ прогнозировать сильные сейсмические события не
только по месту, но и по времени. Определены пути технического и
методического развития эмиссионной системы на конкретном промыш
ленном объекте - Кировском руднике АО "Апатит", что предусматри
вает: а - установку на руднике усовершенствованной аппаратуры и
средств сбора и передачи информации; б - расширение пунктов реги
страции до 5-6, что позволит равномерно охватить зону контроля (в

настоящее время - район блока-целика на гор.+252 м Кировского рудника); в - разработку программных средств обеспечения системы.

Практическая реализация проведенных исследований заключается в следующем:

1 - Внедрен в производство метод акустической эмиссии и "Временная методика локальной оценки удароопасностн пород и руд в горных выработках по параметрам акустической эмиссии" применительно к условиям апатитовых рудников Хибин;

2- Введена в опытную эксплуатацию на Кировском руднике АО "Апатит" автоматизированная подсистема эмиссионного контроля.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5-ой Всесоюзной и 6-ой Всероссийской школах-семинарах "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Зеленогорск, Ленинградской обл. 1989, пос. Борок Ярославской обл., 1994), 6-ом Международном семинаре по горной геофизике (Пермь, 1993), 10-ой Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993 ), Всесоюзной конференции "Управление напряженно-деформировашіьш состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Новосибирск, 1994 ).

Исследования выполнялись в рамках государственной научно-технической программы России "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" (проект 2.2 "Разработка научных основ оценки опасности эндогенных процессов") по хоздоговорам с объединенным Институтом физики Земли Российской академии наук (ОИФЗ РАН), а также в рамках тем НИР Горного института Кольского научного центра Российской академии наук (ГОИ КНЦ РАН) и хоздоговоров с АО "Апатит". Основные результаты отражены в отчетах за 1990-1995 гг. и одобрены учеными советами ГОИ КНЦ РАН и ОИФЗ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста, включает 57 рисунков, 7 таблиц, 2 приложения, список литературы из 115 наименований.