Результаты мониторинга напряжений и деформаций блоковых структур массива горных пород по данным деформационных измерений на геодинамическом полигоне Кировского рудника ОАО «Апатит»

Земли (геохимия и обстановки накопления на Балтийском щите) / В.А. Мележик, А.А. Басалаев, А.А. Предовский,

Н.Л. Балабонин, В.И. Болотов, М.А. Павлова, Б.В. Гавриленко, М.З. Абзалов. - Л.: Наука, 1988. 197 с. 20. Бельков И.В. Кианитовые сланцы свиты Кейв. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1963. 321 с. 21. Петров В.П. Метаморфизм раннего протерозоя Балтийского щита. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. 325 с. 22. Гинзбург И.В. О графите кианитовых сланцев Кейв (Кольский полуостров) / И.В. Гинзбург, А.И. Горшков // Тр. Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана. М.: Изд. АН СССР, 1961. Вып. 12. С. 171-176. 23. Корсаков А.В. Механизм образования алмазов в графитовых “рубашках” в метаморфических породах сверхвысоких давлений / А.В. Корсаков, В.С. Шацкий // ДАН. 2004. Т. 399, № 2. С. 232-235.

Сведения об авторе

Каржавин Владимир Константинович - к.х.н., старший научный сотрудник; e-mail: karzhavin@geoksc.apatity.ru

УДК 622.831

РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ГЕОДИНАМИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ КИРОВСКОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

А.А. Козырев, М.М. Каган, К.Н. Константинов, И.Г. Панасенко

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Описана тектоника Кукисвумчорского и Юкспорского апатит-нефелиновых месторождений Объединенного Кировского рудника. Обоснована актуальность использования высокочувствительных и стабильных во времени систем наблюдений в условиях высоконапряженных массивов скальных пород. Представлен геодинамический полигон, включающий в себя подземный пункт регистрации данных, расположенный на горизонте -24 м Юкспорского крыла Кировского рудника, и наземный пункт сбора, накопления и обработки данных. Приводятся сведения об аппаратурно-методической базе, о порядке обмена геофизической информацией между геодинамическим полигоном и наземным пунктом сбора и обработки данных. Приводятся результаты регистрации деформаций и наклонов блока массива пород на шахтном поле подземного рудника за длительный период, включающий в себя разные стадии подготовки и реализации техногенного землетрясения.

Ключевые слова:

мониторинг, наклон, деформация, тектоника, землетрясение, предвестник, подземный рудник.

Напряженно-деформированное состояние массива горных пород на крупных месторождениях Мурманской области во многом определяется исходным напряженным состоянием нетронутого массива, а также интенсивным техногенным воздействием, связанным с ведением крупномасштабных горных работ. Масштабы пространственного перемещения горных масс в пределах рудных районов превышают 4.5 млрд тонн, что в сочетании с регулярными взрывными воздействиями существенно влияет на геодинамическое состояние и равновесие в иерархически-блоковой среде кристаллического фундамента. В этой ситуации происходит нарастание и перераспределение концентраций напряжений, а соответственно и сейсмичности как внутри геологических блоков, так и на границах крупных разломов.

Разрывная тектоника Кукисвумчорского и Юкспорского апатит-нефелиновых месторождений Объединенного Кировского рудника представлена закономерно ориентированными радиальными и концентрическими разломами (рис. 1), а также несколькими системами крупноблоковой и мелкоблоковой трещиноватости. Наиболее крупными тектоническими разломами в пределах геомеханического пространства Кукисвумчорского месторождения являются Саамский (№ 2 на рис. 1) и Ворткеуайвский (№2 1) радиальные разломы северо-восточного простирания. По простиранию они

прослежены минимум на 3-5 км, а на глубину - на несколько сот метров. Их мощность варьирует от 20 до 50 м в приповерхностных частях до долей метра на глубоких горизонтах.

Саамский разлом в первом приближении совпадает с границей эксплуатирующихся месторождений и делит рудник на блоки максимального ранга - Кукисвумчорский и Юкспорский.

В массиве горных пород Кировского рудника регистрируются характерные для всего Хибинского массива повышенные субгоризонтальные тектонические напряжения, превышающие вертикальные напряжения (от веса вышележащих пород). Проведенный нами мониторинг дифференцированных вертикальных движений в районе Саамского разлома выявил сложный характер блоковых и межблоковых перемещений [1].

Рис. 1. Геолого-структурное положение Кировского рудника ОАО «Апатит»: справа - местоположение рудника в Хибинском массиве; слева - геологическая схема рудника.

Р - рудное тело; а - радиальные разломы; б - разрывные нарушения других систем; в - разрывные нарушения, выделенные по результатам дешифрировани; г - месторождения апатит-нефелиновых руд (правый рисунок); д - наиболее крупные разломы 1 ранга; цифры в кружках:

1 - Ворткеуайвский радиальный; 2 - Саамский радиальный и 40 - Южно-Эвеслогчорский концентрический разлом; белый контур - площадь проекции выработок Кировского рудника и выходов месторождений Кукисвумчорр и Юкспор на поверхность; звездочка - проекция эпицентра

события от 21.10.10 на поверхность

Деформационные процессы высоконапряженных массивов скальных пород происходят медленно, имеют циклический характер и могут продолжаться длительный промежуток времени, приводя в итоге к катастрофическим последствиям в виде техногенных землетрясений и горнотектонических ударов. Поэтому для выявления тенденций их изменений необходимо использовать высокочувствительные и стабильные во времени системы наблюдений.

Рис. 2. Структурная схема организации геодинамического полигона регистрации деформаций и наклонов:

1 - регистратор информации

«Регин»; 2-4 - кварцевые

деформометры ДКК-3; 5, 6 -кварцевые наклономеры; 7 - линия связи подземного и наземного пунктов; 8 - коммутационный блок на поверхности рядом с западным вспомогательным

стволом; 9 - пункт сбора и обработки данных,

организованный в ГоИ КНЦ РАН;

10 - удаленный доступ, осуществляемый по каналу ЕЖвтМ

С целью ведения контроля над процессами деформирования и разрушений в массиве под влиянием ведущихся горных работ в 2010 г. был создан геодинамический полигон, включающий в себя подземный пункт регистрации данных, расположенный на горизонте -24 м Юкспорского крыла Кировского рудника, и наземный пункт сбора, накопления и обработки данных (рис. 2).

В состав подземного пункта входит комплекс датчиков деформометров (ДКК-3) и наклономеров (НК) (рис. 3), регистратор информации «Regm-3F-6k» (разработки Института физики Земли РАН) и элементы, обеспечивающие бесперебойное питание системы.

Датчики, входящие в состав комплекса, выполнены с учетом жестких требований обеспечения долговременной стабильности при высокой точности измерения перемещений, изготовлены по оригинальной схеме, а наклономер защищен авторским свидетельством [2]. Высокая стабильность датчиков обеспечивается за счет использования кварцевого стекла в качестве конструкционного материала для создания чувствительных элементов [3]. Конструкции датчиков наклонов и деформаций отработаны достаточно давно и выдержали многолетние испытания, в том числе на рудниках Ловозёрского ГОКа и на Кировском руднике ОАО «Апатит» [4].

Рис. 3. Кварцевые деформометр ДКК-3

По техническим данным деформометры характеризуются предельным разрешением измерительного тракта, равного 0.005 мкм и базой измерения - 3.3 м, наклономеры НК -линейным диапазоном измеряемых углов наклона, составляющим +/- 10 уг. мин., и предельным разрешением - 0.005 уг. сек.

Съем информации с датчиков осуществляется с помощью высокочувствительных емкостных дифференциальных преобразователей механических перемещений в изменения частоты выходного сигнала и реализуется в цифровые данные с помощью регистратора информации «Regin-3F-6k».

Подземный пункт размещен в забое одиночной горной выработки протяженностью 90 м на горизонте -24 м Юкспорского крыла Объединенного Кировского рудника (глубина от поверхности 400 м). С целью минимизации теплового и шумового воздействия на

чувствительные элементы датчиков подземный пункт изолирован от остальной части подводящей к полигону выработки и квершлага ЗВС двумя железобетонными перемычками.

На стенке забоя выработки смонтированы два деформометра ДКК-3, ориентированные по сторонам света: восток-запад (далее ДКК В-З) и юг-север (ДКК Ю-С). На постаменте, который жёстко связан со скальным массивом, установлены деформометр ДКК^, контролирующий смещения в вертикальной плоскости, и наклономеры с ориентировкой осей по направлению запад-восток (НК З-В) и север-юг (НК С-Ю).

Обмен информацией между геодинамическим полигоном и наземным пунктом сбора и обработки данных осуществляется через Intemet с использованием существующей инфраструктуры вычислительной сети ОАО "Апатит". Такая организация обмена позволила решить следующие задачи:

• обеспечить получение информации от геофизической аппаратуры в реальном времени;

• обеспечить оперативный контроль состояния и управление работой приборов;

• существенно снизить затраты на оборудование, снизить эксплуатационные затраты и повысить надежность за счет отказа от специализированных линий связи;

• улучшить условия работы точной геофизической аппаратуры за счет сокращения объема работ, требующих присутствия на полигоне персонала.

Геофизическая информация с полигона поступает с июля 2010 г. Этот период включает в себя момент реализации мощного техногенного землетрясения 21 октября 2010 г. в 12 ч. 10 мин. по московскому времени с магнитудой 3.5. Гипоцентр события находился в Кукисвумчорском крыле Объединенного Кировского рудника примерно на горизонте +16 м (360 м от поверхности) на некотором удалении от очистных работ. Выделившаяся энергия составила порядка 7»109 Дж. Размер зоны подготовки данного землетрясения составил несколько километров, то есть включал в себя всю промышленную зону рудника и значительную часть продуктивной толщи Хибинского массива. В результате этого события в ряде подземных выработок произошло раскрытие трещин, отслоение бетонной и набрызг-бетонной крепи, обрушение породы. Каких либо значимых последствий землетрясения на поверхности не выявлено.

Данные наблюдений на геодинамическом полигоне позволяют выявить изменения в состоянии геоструктурного блока, к которому приурочен полигон, в период подготовки и реализации сейсмического события. Визуально выделяются 3 характерных временных этапа (рис. 4):

1) от начала регистрации до 06.10.2010 г., когда зафиксировано непрерывное медленное изменение наклона в плоскости север-юг (НК З-В) при относительно малых изменениях в показаниях остальных приборов;

2) с 06.10.2010 г. по 21.10.2010 г. (этап подготовки и реализации техногенного землетрясения), описывающий резкое изменение показаний всех приборов, за исключением ДКК С-Ю, причем, наклон в плоскости север-юг сменил знак приращения, а ДКК З-В показывал рост отрицательных деформаций (сжатие);

3) с 21.10.2010 г. по 31.10.2010 г. (афтершоковый), отражающий уменьшение скоростей наклонов при продолжающемся росте деформаций сжатия в направлении восток-запад.

Полученные данные отчетливо демонстрируют различные стадии подготовки и реализации техногенного землетрясения и позволяют четко определить начало заключительной стадии подготовки - недельного интервала, предшествующего землетрясению (вертикальный красный пунктир на рис. 4).

Такое поведение, вероятно, обусловлено неравномерностью отработки участков месторождений и разной степенью перераспределения полей напряжений и деформаций блоковой структуры. В интервале времени после реализации землетрясения прослеживается уменьшение скоростей наклонов при продолжающемся росте деформаций сжатия в направлении восток-запад.

Рис. 4. Данные деформационно-наклономерного комплекса в период подготовки и реализации

техногенного землетрясения 21.10.2010:

1 этап - период стабильности (22.07.2010 - 06.10.2010), 2 этап - подготовка землетрясения (06.10.2010 - 21.10.2010), 3 этап - афтершоковый период (с 21.10.2010), красный пунктир -момент начала развития устойчивых предвестников готовящегося сильного сейсмического события, красный треугольник - техногенное землетрясение 21.10.2012 В 2011 г. - первой половине 2012 г. геодинамический режим блочной среды описывается чередованием процессов сжатие-растяжение (опускание-поднятие) по вертикальной компоненте, что иллюстрируется на графике (рис. 5) показаниями деформометра ДКК^, и деформациями наклона в северном либо южном направлениях, что отражено в показаниях НК З-В.

120 J-----

-----дккв-з ----------дккю-с ----------нк з-в --------нкю-с ---------дккг

Рис. 5. Данные деформационно-наклономерного комплекса с июля 2010 г.

Выводы

1. Деформационный мониторинг блочного массива горных пород на основе данных геодинамического полигона дает объективную картину изменения напряженно-деформированного состояния массива пород, обусловленного влиянием на блочную структуру массива техногенных факторов и тектонических процессов.

2. Данные деформационного мониторинга массива горных пород позволяют выявлять средне- и краткосрочные предвестники готовящихся в блоке техногенных землетрясений.

3. Полученные результаты позволяют предложить организацию сети деформационнонаклономерных станций в пределах геоструктурных блоков, формирующих шахтное поле рудника.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козырев А.А. Саамский разлом (Хибины) - аномальный характер современных деформаций / А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, Д.В. Жиров, Ю.Г. Смагина // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 4. C. 702-707. 2. Попов Е.И., Ребров В.И. Наклономер: АС № 1721438. Опубл. Б.И. 1992, № 11. 3. Хаткевич Л.П. Кварцевое стекло в производстве электровакуумных изделий / Л.П. Хаткевич, В.К. Лено. М.: Энергоиздат, 1981. 4. Сейсмичность при горных работах / под ред. Н.Н. Мельникова. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2002. 325 с.

Сведения об авторах:

Козырев Анатолий Александрович - д.т.н., профессор, зам. директора по научной работе; e-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru

Каган Михаил Моисеевич - старший научный сотрудник; e-mail: mkagan@goi.kolasc.net.ru Константинов Константин Николаевич - младший научный сотрудник; e-mail: const@goi.kolasc.net.ru

Панасенко Игорь Георгиевич - ведущий программист; e-mail: piggy@goi.kolasc.net.ru