Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1. Существующие взгляды на связь сейсмичности с инженерной деятельностью человека 8
1.2. Сейсмичность региона и разрабатываемых месторождений (на примере Урала) II
1.3. Особенности использования сейсмологического метода
при регистрации и прогнозе горных ударов 19
1.4. Цель и задачи исследований 34
2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ УДАРООПАСНОСТИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ 37
2.1. Общие положения 37
2.2. Выбор и обоснование частотного диапазона 39
2.3. Разработка основных принципов построения сейсмической сети 47
2.4. Изучение скоростей упругих волн 64
2.5. Выводы 74
3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ, СВЯЗАННОЙ С ГОРНЫМИ УДАРАМИ 75
3.1. Общие положения 75
3.2. Выделение горных ударов по записям упругих волн и оценка механизма сейсмических явлений 76
3.3. Определение координат очага горного удара 93
3.4. Определение сейсмической энергии горного удара . 108
3.5. Выводы 116
4. РАЗРАБОТКА СПОСОБА РЕГИОНАЛЬНОГО ПРОГНОЗА УДАРООПАСНОСТИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ 118
4.1. Общие положения 118
4.2. Способ регионального прогноза удароопасности шахтных полей 120
4.3. Аппаратура для регионального прогноза удароопасности 136
4.4. Организация работ по региональному прогнозу удароопасности. Технико-экономическая оценка способа 147
4.5. Выводы 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 179
- Существующие взгляды на связь сейсмичности с инженерной деятельностью человека
- Выбор и обоснование частотного диапазона
- Выделение горных ударов по записям упругих волн и оценка механизма сейсмических явлений
- Способ регионального прогноза удароопасности шахтных полей
Введение к работе
На ХХУТ съезде КПСС и последующих Пленумах ЦК КПСС уделено большое внимание развитию минерально-сырьевой базы страны /I.I, 1,2, 1.3/. Дальнейшее освоение минерально-сырьевых ресурсов нашей страны осложнено тем, что большая их часть с благоприятным географическим расположением и наиболее доступными условиями добычи исчерпана /4,47/. Увеличение глубины залегания полезных ископаемых, подлежащих разработке, связано с усложнением горнотехнических условий. В связи с этим перед горной наукой встает ряд проблем, одной из которых является проблема предупреждения и профилактики горных ударов, наносящих значительный социально-экономический ущерб.
Постановления Государственного комитета по науке и технике СРЛ СССР .№ 54 от 25.02.75 г., IS 56 от 03.03.76 г. и № 86 от 02. 04.81 г. направлены на определение основ в исследованиях ударо-опасности и на разработку мер предотвращения горных ударов на рудных и нерудных месторождениях нашей страны. Составной частью этой проблемы является региональный прогноз горных ударов в пределах шахтных полей и месторождений в целом. Координация работ по проблеме горных ударов осуществляется Госгортехнадзором СССР, научно-методическое руководство - Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИШ).
Современные знания о землетрясениях и горных ударах не позволяют осуществить надежный прогноз времени их возникновения. Поэтому первоочередной задачей исследований является определение опасных мест по возможному проявлению горных ударов, при этом фактор времени учитывается как сопутствующий, требующий накопления данных.
На современном этапе для шахтных условий разработаны и используются комплексы методов, позволяющих определять степень удароопасности участков горных пород в отдельных выработках. Однако, оперативных методов для выявления областей повышенной удароопасности в региональном плане, т.е. одновременно одного или нескольких шахтных полей и месторождения в целом, практически не существовало. Поэтому актуальной являлась разработка способа регионального прогноза удароопасности на больших площадях, особенно на месторождениях со сложной тектонической нару-шенностыо и сложной гипсометрией рудной залежи.
Для регионального прогноза удароопасности может быть использован сейсмологический метод, который позволяет путем организации системы непрерывных наблюдений за сейсмической активностью и отдельными ее параметрами постоянно следить за изменением удароопасного состояния на заданных площадях. Решению вопросов по применению сейсмологического метода для регионального прогноза удароопасности в пределах шахтных полей посвящена настоящая работа.
В результате проведенных исследований: определен диапазон частот упругих волн, необходимый для осуществления непрерывного контроля удароопасности в пределах шахтных полей или месторождения; разработаны основные принципы построения сейсмической сети для наблюдений за сейсмическими явлениями на основе реальной чувствительности сейсмических каналов; усовершенствованы способы определения параметров сейсмических явлений, являющихся показателями сейсмической активности; - разработан способ регионального прогноза удароопасности, позволяющий определять области, опасные по возможному возникновению горных ударов, а также непрерывно следить за изменениями удароопасного состояния в пределах контролируемой площади.
Способ регионального прогноза удароопасности используется на Североуральском бокситовом руднике (СУБРе).
Работа выполнена в Уральском филиале ВНИМИ, где автор был ответственным исполнителем тем: "Выполнить прогноз удароопасности, разработать и внедрить комплекс мер предотвращения горных ударов на рудных и нерудных месторождениях страны", "Провести научно-исследовательские работы по совершенствованию региональных и локальных методов прогноза удароопасности, по совершенствованию региональных и локальных мер предупреждения горных ударов (СУБР)", научное руководство которыми осуществлялось канд. техн.наук Б.Ш.Винокуром и проф., докт.техн.наук И.М.Петуховым.
Автором диссертации выносятся на защиту научные положения:
Система непрерывного контроля удароопасности шахтных полей основывается на использовании сейсмической активности в широком диапазоне частот. Сейсмические явления низкочастотного диапазона позволяют устанавливать изменения удароопасности в пределах шахтных полей и месторождений, высокочастотного диапазона - в пределах их локальных участков. Чем шире диапазон регистрируемых явлений, тем более показательна причинная взаимосвязь сейсмической активности участков массива пород и горных ударов.
Сейсмическая сеть системы непрерывного контроля удароопасности определяется реальной чувствительностью каналов и количеством пунктов регистрации. Надежность определения реальной чувствительности каналов обеспечивается при совместном учете сейсмической энергии источника и фона упругих помех.
Скоростная модель среды, используемая при оценке очагов горных ударов, должна учитывать скорости упругих волн массива горных пород и его тектоническое строение. В реальных условиях детальность определений скоростей упругих волн должна быть тем выше, чем ниже энергетический класс сейсмических явлений.
Способ регионального прогноза удароопасности основан на непрерывном контроле параметров сейсмической активности, ее миграции в процессе ведения горных работ и предназначен для использования в пределах как шахтных полей, так и месторождений в целом.
Существующие взгляды на связь сейсмичности с инженерной деятельностью человека
Изменение физико-механического состояния горных пород и их напряженного состояния в результате инженерной деятельности человека с давних времен привлекает внимание исследователей. Наиболее существенными изменениями, обратившими на себя внимание, были сдвижения дневной поверхности земли на участках подземной выемки полезных ископаемых. Впервые такие сдвижения были отмечены в Англии еще в 17 веке в результате подземной добычи каменной соли /3.23/.
С развитием энергетики в местах строительства гидроэлектростанций сооружались обширные котлованы, заполнявшиеся водой. В них и в прилегающих участках наблюдалась значительная сейсмическая активность, интенсивность которой, как показывают многочисленные исследования, находится в зависимости от уровня заполнения водохранилища. Изучению сейсмичности при строительстве гидроэлектростанций посвящено большое количество исследований /З.П, 3.18, 3.23/.
Откачка подземных вод, добыча нефти, газа вызывает изменение физико-механического состояния вмещающих пород, что в конечном итоге связывается с возникновением сейсмичности или ее количественным изменением /3.18/.
Горные удары на шахтах также являются следствием проникновения человека в земные недра путем выемки значительных масс горных пород, что ведет к перераспределению напряжений в местах, затронутых инженерной деятельностью человека.
В СССР горные удары впервые были отмечены в конце 40-х годов на угольных шахтах Кизеловского угольного бассейна /3.26/. В настоящее время в нашей стране 45 месторождений отнесены к угрожаемым по горным ударам /4.30/. Среди них следует особо выделить Североуральские бокситовые месторождения /4.18, 4.42/, Ткибули-Шаорское каменноугольное месторождение /4.54, 4.64/, Таштагольское железорудное месторождение /4.27, 4.63/, Кизеловский угольный бассейн /3.26, 3.27/ и месторождения Норильска /4.30/. В зарубежных странах горные удары наблюдаются на рудниках Южно-Африканской республики /4.36/, в США. (рудники Галена, Стар) /4.II, 4.26, 4.81, 4.82/, Польше /3.40, 4.79, 4.87,4.93/, Чехословакии /4.II, 4.88, 4.90/, ГДР /4.58/ и во многих других странах /4.II/.
Интенсивная разработка месторождений приводит к тому, что с каждым годом увеличивается глубина горных работ и объемы выработанных пространств, в связи с чем повышается опасность возникновения горных ударов в выработках и горнотектонических ударов /4.54/, происходящих в массиве горных пород. Они могут оказывать значительное воздействие на устойчивое состояние выработанного пространства шахтных полей.
Наиболее показательным по влиянию инженерной деятельности при добыче угля на возникновение горных ударов, а также по их предотвращению является Кизеловский угольный бассейн. Начиная с конца 40-х годов, на шахтах бассейна происходило значительное количество горных ударов (до 70 в 1955 году). По мере познания природы и механизма горных ударов и принятия соответствующих мер их предупреждения количество горных ударов из года в год сокращалось и к настоящему времени практически сведено к единичным случаям. Пример показателен тем, что несмотря на внесение изменений в напряженное состояние горных пород, своевременный учет факторов, способствующих возникновению горных ударов и принятие соответствующих мер, позволяют избежать последствий этого грозного явления, а в некоторых случаях использовать энергию горного давления в целях облегчения добычи полезного ископаемого.
На сейсмическую активность и возникновение горных ударов оказывают влияние многие факторы /4.52/. В естественном состоянии на проявление сейсмической активности оказывают влияние геолого-тектонические факторы. В результате инженерной деятельности человека при добыче полезных ископаемых подземным способом к геолого-тектоническим добавляются еще несколько групп факторов, которые не только могут повысить сейсмическую активность, но и вызвать горные удары непосредственно в местах деятельности человека.
Последствия горных ударов выражаются в социальном, экономическом и техническом ущербе. Поэтому проблеме горных ударов уделяется большое внимание.
К настоящему времени усилиями многих ученых ряда коллективов в нашей стране и за рубежом /3.1, 3.27, 3.28, 3.29, 4.77, 4,83/ природа и механизм горных ударов изучены в достаточной степени. В работе /4.54/ "... горный удар рассматривается как бурное разрушение части пород, определяемое тем обстоятельством, что приток энергии из нагружающих пород превышает ее поглощение в процессе разрушения. Избыток энергии переходит в кинетическую энергию разлетающихся кусков разрушенной породы".
Выбор и обоснование частотного диапазона
Частотный диапазон регистрируемых упругих колебаний является важным, определяющим всю дальнейшую методику сейсмологических исследований по прогнозированию удароопасности.
В настоящее время исследованный диапазон упругих колебаний от естественных источников изменяется от тысячных долей герца до 40 кіц. Горные удары по частотному диапазону сравнимы с местными слабыми землетрясениями.
В работе В.А.Смирнова, впервые исследовавшего горные удары сейсмическим методом в шахтах Кизеловского угольного бассейна /3.28/, отмечается, что диапазон частот 1-7 1 является наиболее благоприятным для регистрации горных ударов на эпицент-ральных расстояниях в несколько километров.
На основе исследований местных землетрясений в Гармском районе /3.8/, сейсмическая энергия которых колеблется от до 10 Дж, выведена зависимость: где т - преобладающая частота регистрируемых колебаний, Щ Е - класс сейсмической энергии, А =14,3, 0 = 0,94 - для продольных волн и х0 =10,6, 0 = 0,76 - для поперечных. Эпицент-ральные расстояния при этом свыше 4 км. Расчеты показывают, что для энергетических классов 3 9 преобладающие частоты находятся в диапазоне 5,8-11,4 1ц для продольных и 3,7-8,3 1ц для поперечных волн.
В работах /4.23, 4.31/, посвященных сейсморазведочным исследованиям Северного Урала, отмечается, что видимые частоты, регистрируемых отраженных волн при возбуждении колебаний взрывами в скважинах, пробуренных с поверхности и при зарядах до 100 кг, находятся в пределах 30-50 1ц. Отмечается зависимость частоты регистрируемых волн от состава пород. Для вулканогенных пород характерны частоты 50-55 Гц, терригенных - 40-45 1ц /4.23/.
Выделение горных ударов по записям упругих волн и оценка механизма сейсмических явлений
Добыча полезных ископаемых на шахтах и рудниках ведется с применением буровзрывных работ, на фоне которых могут возникать горные удары. Поэтому появляется необходимость выявления различий в записях упругих волн от горных ударов и взрывов. Различия волн от землетрясений и взрывов давно вызывают интерес сейсмологов разных стран /3.24, 3.41, 4.49/. При этом речь идет о сейсмических энергиях, сравнимых со средними и сильными землетрясениями, В случае же горных ударов энергии значительно ниже.
Если рассмотреть пространственное расположение взрывов, горных ударов и пунктов наблюдений, то один из наиболее однозначных параметров - полярность первого вступления сейсмической волны может "работать" только при достаточном количестве и определенным образом расположенных пунктах регистрации. На рис.3,1 показано движение почвы в первом вступлении прямой волны, которым определяется регистрация волны сжатия (+) или волны разрежения (-). Как видно из рис.3.1, при взрыве может регистрироваться волна сжатия или волна разрежения в зависимости от взаимного расположения очага взрыва и сейсмометра. Волна разрежения наблюдается в первых вступлениях в случае горного удара, возникшего, например, в результате разрушения целика или кромки выработки (рис.3.2). На сейсмограмме будет зарегистрирована та или иная волна в зависимости от взаимного расположения сейсмометра и очага горного удара. Сейсмограммы, иллюстрирующие это положение, получены при наблюдениях в стволе шахты 12-12 бис СУБРа (рис.3.3), где взрывы и горные удары имели место выше и ниже пункта установки сейсмометра.
В случаях горных ударов иного типа, сопровождающихсянапример, смещением горных пород по плоскости разрыва,полярность первого вступления зшругой волны зависит от того, в какой стороне от разрыва находится сейсмометр и в каком направлении происходит разрыв (рис.3.4). При достаточном количестве пунктов регистрации вопрос о выделении горного удара по записи решается положительно.
Способ регионального прогноза удароопасности шахтных полей
Определение наклонов графиков повторяемости сейсмических явлений. На основе определения сейсмической энергии производится построение графиков повторяемости сейсмических явлений как по всему шахтному полю, так и по отдельным его участкам. Размеры участков могут быть различными и определяются как геолого-тектоническим строением, так и уровнем сейсмической активности.
Графики повторяемости представляют собой зависимость количества сейсмических событий от их энергетических уровней,выраженных в джоулях или магнитудах /3.8, 3.18, 3.31, 3.32, 4.13, 4.22, 4.56, 4.57, 4.80/.
В сейсмологии графики повторяемости землетрясений рассматривают как в магнитудной /3.7, 4.9, 4.10 и др./, так и энергетической /3.20, 3.34, 3.35, 4.14, 10.5 и др./ формах. При рассмотрении горных ударов удобней пользоваться энергетической формой. В этом случае графики повторяемости сейсмических явлений можно представить соотношением /3.12/ где N - число горных ударов заданного энергетического класса, А - константа, определяющая уровень сейсмической активности, У" - угловой коэффициент, определяющий наклон графика.
Построение графиков выполнялось по интервалам, равным одному классу, т.е. количество горных ударов для данного класса определялось в интервале К + 0,5 /3.8, 4.56/. Особо следует остановиться на количественном значении данных при построении графиков повторяемости. Например, для одного из районов шахтного поля СУБРа в первоначальный период был построен график повторяемости по 44 сейсмическим событиям, энергия которых находилась в пределах двух энергетических классов. График повторяемости был построен по двум точкам. Угловой коэффициент его равен 1,15. Известно /4.56/, что существование такого наклона ставится под сомнение, т.е. ]Г I едва ли может существовать. С увеличением количества сейсмических событий в данном районе до 130 был вновь построен график повторяемости. При этом угловой коэффициент оказался равным 0,75. Изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород под влиянием инженерной деятельности человека не вызывает сомнения /3.II, 3.29, 3.37/, поэтому и вариация наклонов графиков повторяемости для отдельных районов должна иметь место. На уровне акустической эмиссии это обстоятельство изложено в работе /5.2/. Однако для получения более достоверных данных о наклоне графиков повторяемости, их необходимо строить как минимум по трем точкам, т.е. по значениям трех энергетических классов. Количество сейсмических событий может колебаться в зависимости от уровня активности и находиться в пределах 50-100. При недостатке исходных данных следует пользоваться средним значением углового коэффициента, равным 0,65.
