Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии

Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии

О.А. Хачай

Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург, 620016, Россия

Осуществлена попытка рассмотрения устойчивости массива горных пород с позиции открытых динамических систем с иерархической структурой. Предложен новый параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, позволяющий ввести количественную классификацию состояния массива в рамках трех градаций: устойчивый, неустойчивый и промежуточный. Проверка этого подхода осуществлена на данных пространственно-временного электромагнитного индукционного активного мониторинга.

Self-organization phenomena in rock massif under technogenic effect

O.A. Khachay

Consideration is given to the stability of a rock massif within the concept of open dynamic systems with hierarchical structure. A new parameter of interval intensity of disruption zones is suggested. Using this parameter the massif state can be qualitatively classified as stable, unstable and intermediate. The approach has been verified using the active spatio-temporal electromagnetic induction monitoring data.

1. Введение

В настоящее время накоплено достаточно сведений, свидетельствующих о двух важнейших особенностях современной эволюции геологической среды: механические перемещения вещества Земли происходят на любых пространственных и временных масштабах и доступное изучению вещество земной коры образует блочно-иерархическую структуру, являющуюся результатом процессов деструкции или разрушения [1].

С другой стороны, важную роль для понимания формирования и развития иерархии структурных уровней деформации в твердых телах играют теоретические и экспериментальные результаты, полученные на образцах [2]. С их помощью обоснован подход, базирующийся на представлении о диссипативных структурах в неравновесных системах [3], для которых имеют место процессы самоорганизации на каждом из иерархических уровней. Как показано в [4], самоорганизация возникает при условии наличия иерархической структуры. Этот подход может быть распространен на изучение природно-техногенных систем, которые представляют массивы горных пород, находящиеся в процессе отработки. Для них справедлива также модель открытой динамической системы [5]. Анализ проявлений процессов

самоорганизации может дать представление об устойчивости и способствовать разработке соответствующих критериев устойчивости состояния массива в целом относительно динамических явлений заданного энергетического класса и выше. Это перекликается с изложенной в работе [1] гипотезой о делимости масштабов. Для всякой области размера 10 существует акт разрушения определенного энергетического класса (и выше), подготовка которого может рассматриваться с позиций, где детерминистические представления играют важную роль и предсказание которого возможно с некоторой степенью неопределенности (в отношении и времени и места). Тогда как разрушение меньших масштабов укладывается в концепцию нестационарного случайного процесса, для которого предсказание индивидуальных событий невозможно.

В работах [6, 7] показано, что с использованием трехмерного электромагнитного индукционного пространственно-временного мониторинга [8] удалось установить, что строение массива горных пород различного вещественного состава удовлетворяет модели иерар-хичной дискретной среды. В рамках конкретной модификации удалось проследить два иерархических уровня. Зоны дезинтеграции [9] в околовыработочном прост-

© Хачай О.А., 2004

ранстве расположены несимметрично в почве и кровле, что может быть свидетельством неравновесного состояния системы. Эти зоны располагаются дискретно, т.е. имеются интервалы их полного отсутствия в околовы-работочном пространстве. Наконец, максимальные изменения в массиве, находящемся под техногенным влиянием, происходят именно в морфологии пространственного положения этих зон в зависимости от времени.

2. Результаты

Настоящая работа посвящена натурному изучению процессов самоорганизации в массиве горных пород, находящемся под техногенным влиянием, и попытке разработать критерии устойчивости на основе предложенной методики классификации.

Представляет интерес проанализировать результаты нескольких циклов электромагнитного мониторинга массива удароопасного Таштагольского подземного рудника, проводимого в 2000, 2001, 2002, 2003 гг в течение августа месяца в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубине от 540 до 750 м с целью выявления морфологии зон дезинтеграции в око-ловыработочном пространстве в массиве горных пород, находящемся под интенсивным техногенным влиянием и влиянием естественного поля напряжений.

Система многоуровневых электромагнитных индукционных частотно-геометрических исследований, проведенных в шахте в 2000-2003 гг., представлена схемой 1.

С использованием математического аппарата интерпретации данных электромагнитных исследований [68] была проведена количественная интерпретация, результатом которой является построение объемной гео-электрической модели массива на четырех горизонтах, которая представляет собой блоковый разрез с неоднородностями меньшего ранга. Эти неоднородности описываются параметром М 0, являющимся эквивалентным моментом сингулярного источника электрического типа (токовая линия), пропорциональным контрастности проводимости в локальной зоне неоднородности и во вмещающей среде, длине токовой линии и зависящим от частоты в случае вложенности строения выделенной локальной зоны.

На рис. 1 анализируется морфология зон дезинтеграции в массиве, расположенном в почве, полученная по данным электромагнитного индукционного монито-

Схема 1

Горизонт Выработки

-140 3

-210 2 4 8

-280 8

-350 18 19 20

ринга в разные годы и в разных выработках, разнесенных по вертикали на 140 м и по горизонтали на 330 м. Изучение природы этого подобия позволит понять процессы, происходящие в массиве, которые можно зафиксировать и проанализировать в рамках данных геофизического мониторинга.

Кроме того, в этой работе анализируется интегральный параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, выявленных по данным электромагнитного индукционного мониторинга:

^(N, Т) = £М0,

г =1

где N — номер интервала, на которые разбивается подпочвенное выработочное пространство: N = 1 (от 0 до 1 м); 2 (от 1 до 2 м); 3 (от 2 до 3 м); 4 (от 3 до 4 м); 5 (от 4 до 5 м); 6 (от 5 до 6 м); 7 (от 6 до 7 м); 8 (от 7 до 8 м); 9 (от 8 до 12 м); 10 (от 12 до 17 м); Т — циклы измерений: Т = 1 (2000 г.); 2 (2001 г.); 3 (2002 г.); 4 (2003 г); kN — количество выделенных неоднородностей в пределах интервала N по всей длине выработки.

3. Обсуждение результатов

Анализируя результаты полученные согласно схеме 1 для трех частот 20, 10, 5 кГц, можно разбить эти орты на три группы (табл. 1), обращая внимание только на количественные значения 5^ 1п( (N, Т): 1 -я группа — до 30; 2-я группа — от 30 до 40; 3-я группа — более 40.

Структура массива 1-й группы, независимо от глубины залегания орта, характеризуется установлением устойчивой упорядоченности распределения параметра ^р ^ (N, Т) от контура вглубь почвы, особенно это характерно для 4 орта -210 горизонта, где были предприняты повторные измерения в течение трех последних лет, а для 2004 г. измерения проводились до и после массовых взрывов. В свою очередь, 4-й орт проходит по охранному целику, наши результаты исследования свидетельствуют об устойчивости его состояния. Распределение параметра £р 1п( (N, Т) для массива второй группы характеризуется ежегодным изменением упорядоченности по интервалам от контура выработки вглубь почвы, при этом имеет место частотная несогласованность этих изменений, однако амплитуда изменений ограничена. По всей вероятности состояние этого массива можно характеризовать как квазиустойчивое. Для

Таблица 1

1 -я группа 2-я группа 3-я группа

Горизонт -140, Горизонт -210, Горизонт -210,

орт 3 орт 2 орт 8

Горизонт -350, Горизонт -350, Горизонт -280,

орт 20 орт 18 орт 8

Горизонт -210, Горизонт -350,

орт 4 орт 19

-776

-793

шЧтштл

6 10

ии -638 -643 -793 .648 .795 -653

.-797

0 20

40

14

60

18

80

-806

-821

22 26 Пк

100 120 м

~800

“ -804

_ -806

5

20

9

40

13

60

17

80

21

100

-776 р -793 t

-678

-681

-638

-643

-793 -648

1--795

..,.., ,......I.. -797

22 26 Пк

100 120 м

-800

-653

р, Ом  м

-653

-657

Пк

м

--663

-668

-673

[-678

10

-653

—657

Пк

О 20 50 90 150 200 500 1000 5000 и более

Рис. 1. Проявление процесса самоорганизации в морфологии зон дезинтеграции, выявленной по данным электромагнитного индукционного мониторинга:

а — геоэлектрический разрез по орту 19, горизонт -350, частота 20 кГц, наблюдения 2003 г.; б — геоэлектрический разрез по орту 8, горизонт -210, частота 10 кГц, наблюдения 2002 г.; в — геоэлектрический разрез по орту 19, горизонт -350, частота 20 кГц, наблюдения 2002 г.; г — геоэлектрический разрез по орту 8, горизонт -210, частота 10 кГц, наблюдения 2003 г.

массива третьей группы особенности распределение параметра £р 1п( (N, Т), указанного для массива второй группы только увеличиваются по амплитуде, а массив можно характеризовать как потенциально неустойчивый. Надо сказать, что в 2002-2003 гг. наиболее сильные динамические проявления имели место именно вблизи 8-х ортов -210 и -280 горизонтов, орт 19 горизонта -350 также характеризуется своей аномальностью.

4. Выводы

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Массив горных пород представляет многоранговую иерархическую структуру. Изучение динамики состояния и его структуры и явлений самоорганизации

массива можно вести лишь с помощью геофизических методов, настроенных на такую модель среды.

2. Использование попланшетной многоуровневой индукционной электромагнитной методики с контролируемым источником и соответствующей методики обработки и интерпретации позволило выявить зоны дезинтеграции, являющиеся индикатором устойчивости массива

3. Введение нового интегрального параметра поин-тервального распределения интенсивности зон дезинтеграции позволяет перейти к детальной классификации массива по степени устойчивости и ввести для этого количественные критерии.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 0205-64229.

Литература

1. Гольдин С.В. Деструкция литосферы и физическая мезомеханика // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 5. - С. 5-22.

2. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 226 с.

3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979. - 300 с.

4. Николис Г. Динамика иерархических систем. Эволюционное пред-

ставление. - М.: Мир, 1989. - 486 с.

5. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990. -344 с.

6. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологи-

ческой гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной

иерархической модели // Российский геофизический журнал. -2004. - № 33-34. - С. 32-37.

7. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава // Информационный горно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 11.-С. 26-29.

8. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В.

Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород // Физика Земли. - 2001. - № 2. - С. 85-92.

9. Шемякин Е.И., Фисенко Г.Л., Курленя М.В. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок // ДАН СССР. - 1986. - Т. 289. - № 5.