Реакция массива горных пород на мощные динамические воздействия

УДК 622.831.32

РЕАКЦИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА МОЩНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

С.А. Козырев, Е.А. Усачев

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Установлены закономерности изменения параметров сейсмических волн при

производстве короткозамедленных взрывов и их воздействие на блочную среду.

Выявлены закономерности распределения техногенной сейсмичности в первые часы после проведения взрыва. Создана методика выявления сейсмически опасных зон при ведении горных работ в высоконапряженных массивах горных пород.

Ключевые слова:

техногенная сейсмичность, горные работы, сейсмические

В последние годы вопросам поведения блочной среды при динамических воздействиях уделяется большое внимание, особенно в целях обеспечения устойчивости и надежности подземных сооружений в строительный и эксплуатационный периоды. Перемещение больших объемов породы при подземной добыче и постоянное воздействие мощных технологических взрывов влечет за собой перераспределение напряжений и изменения в структуре массива, которые отражаются как в динамических явлениях (горные и горнотектонические удары, техногенные землетрясения), так и в деформировании массива пород (крип по структурным нарушениям и дезинтеграция массива, обусловленная релаксацией напряжений).

Наиболее существенные результаты в изучении деформирования блочной среды при крупномасштабных взрывах получены в Институте горного дела СО РАН и Институте динамики геосфер (ИДГ) РАН [1-10], где установлены размеры зон необратимого деформирования и критические скорости в волне сжатия, при которых происходят необратимые локальные деформации; разработана расчетная модель взрывного деформирования блочной твердой среды; рассмотрена характеристика афтершоков подземных взрывов; выполнена оценка релаксационных напряжений в блочной среде. Установлено, что в результате крупномасштабных взрывов происходит пространственное перераспределение энергии и, как следствие, интенсификация релаксационных процессов (локальные разрушения и взаимная подвижка блоков), которые сопровождаются излучением сейсмических волн разной интенсивности.

Однако необходимо отметить, что основные результаты ИДГ РАН получены применительно к ядерным взрывам, которые имеют сферическую симметрию, а массив представлен оконтуренными со всех сторон блоками, промежутки между которыми заполнены менее прочным материалом по сравнению с материалом блоков. В реальной же среде тектонические нарушения малой амплитуды характеризуются небольшой протяженностью. Они нередко не соприкасаются друг с другом и не образуют полностью оконтуренных блоков, и только тектонические нарушения с большой амплитудой и протяженностью смыкаются друг с другом, образуя при этом отдельные тектонические блоки, размеры которых значительны по сравнению с очагом взрыва. Кроме того, при отбойке горных пород в рудниках применяют короткозамедленное взрывание рассредоточенных систем зарядов, действие которых на массив значительно отличается от ядерных взрывов.

Первые результаты регистрации относительных перемещений берегов разломов в Хибинских рудниках с использованием струнных датчиков перемещений применительно к короткозамедленным взрывам были также получены сотрудниками ИДГ РАН [5]. Они показали, что относительное движение породных блоков, возникшее под действием взрывной волны, имеет колебательный характер и продолжается длительное время после ее прохождения. Однако эти экспериментальные данные имеют единичный характер и не позволяют полностью охарактеризовать движение породных блоков.

промышленные взрывы, волны, горные удары.

Реакция массива горных пород на мощные технологические взрывы

Практика отработки глубоких горизонтов апатитовых рудников свидетельствует о том, что основная доля горных ударов приходится на участки с тектоническими нарушениями. Поэтому любые новые сведения о реакции блочной среды на динамические воздействия будут весьма полезны для разработки мероприятий по безопасному ведению горных работ.

Исследования на апатитовых рудниках позволили установить ряд новых закономерностей применительно к условиям производства короткозамедленных массовых взрывов. Эксперименты проводились на гор.+252 м Кукисвумчоррского крыла Объединенного Кировского рудника ОАО «Апатит» на участках под висячим боком месторождения, в блоке-целике и в лежачем боку. Регистрации подлежали массовые взрывы с одинаковыми параметрами буровзрывных работ и интервалами замедления (7=23 мс), но с разной массой зарядов ВВ.

На рис. 1 приведены наиболее характерные записи колебаний внутренних точек массива, представленные в форме графиков зависимости от времени скорости смещения, смещения и спектров скоростей смещения от взрывов в лежачем боку рудного тела (рис. 1а), под висячим боком в вырезных лентах блока-целика (рис. 1б,в) и в лежачем боку в непосредственной близости от ярко выраженного тектонического нарушения (рис. 1б,г). Результаты наблюдений показали существенное различие параметров сейсмических волн при указанных взрывах. Так, взрывы в лежачем боку (рис. 1а) генерируют колебания по всем трем компонентам, близкие к синусоидальным, а основная доля энергии переносится по компонентам Х и X на частоте около 23 Гц. По компоненте У (перпендикулярно фронту отбойки) спектр колебаний несколько отличен, а основная доля энергии переносится на частотах 12, 18 и 35 Гц. При взрывах под висячим боком в вырезных лентах блока-целика (рис. 1 б,в) колебания внутренних точек массива имеют более сложный характер.

б) 10'

100-

0

скорость, мм/сек

0.2 0.4 0.6 08 1

смещение, мм

1гц

Рис. 1. Записи колебаний внутренних точек массива, представленные в форме графиков зависимости от времени скорости смещения, смещения и спектров скоростей смещения от взрывов, произведенных в лежачем боку месторождения

г

Z

Отличия обусловлены тем, что после взрыва первой ступени начинает формироваться низкочастотная волна с периодом колебаний 0.5 с. Спектральный анализ скорости смещения также показал, что по компоненте X основная доля энергии переносится на частотах /=2-3 Гц. В двух других направлениях (компоненты Х и У) формируется довольно сложный пакет колебаний, но с преобладанием двух максимумов на частотах 2-4 и 53-60 Гц. Наиболее четко низкочастотная волна с характерным периодом колебаний Т=0.5-0.6 с проявляется на графике зависимости смещения точек массива от времени (рис. 4.1 б,в).

При производстве массового взрыва в лежачем боку в непосредственной близости от тектонического нарушения (рис. 1 г) также наблюдается низкочастотная волна, но время ее зарождения приурочено к моменту завершения взрыва. По амплитуде компонент Х и У низкочастотная волна в данном случае значительно ниже основного тона колебаний, а по компоненте X они сопоставимы по своему уровню.

Следует отметить, что низкочастотная волна наблюдается только в определенных горногеологических условиях и фиксируется в зоне влияния массового взрыва. На дальних расстояниях зарегистрировать низкочастотную волну не удалось, что говорит о ее быстром затухании.

Экспериментальное изучение действия взрыва сосредоточенных и удлиненных зарядов вблизи свободных поверхностей показало, что взрыв таких зарядов необходимо рассматривать как двухстадийный источник колебаний. Впервые это предположение было сделано Б.Г. Рулевым [10]. Первый источник колебаний - это начальная стадия развития взрыва, когда продукты детонации симметрично распространяются во все стороны. В окружающем массиве возникают деформации сжатия, которые и порождают первичную объемную волну. Второй источник - это отделение расчлененного трещинами участка массива, вызванное остаточным давлением продуктов детонации в полости и связанное с этим отделением образование вторичных волн с большими периодами колебаний, так как на этой стадии процесс протекает значительно медленнее.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что формирование вторичной низкочастотной волны связано с вовлечением в движение расчлененного трещинами массива.

Применительно к условиям отбойки в зажиме, особенно в условиях высокого горного давления и при веерном расположении скважин, отделение от массива раздробленного рядом скважин слоя весьма проблематично. Поэтому, по-видимому, при массовой отбойке руды механизм формирования низкочастотной волны связан с вовлечением в движение структурных блоков различного ранга и особенно консоли необрушенных пород висячего бока.

На Кукисвумчоррском месторождении можно выделить ряд разломов различного ранга, которые и определяют блочное строение рудного тела. Выявленные в пределах шахтного поля четыре системы трещин делят массив на блоки более высокого уровня. При подработке рудного тела под висячим боком образуется консоль из необрушенных пород, которая способствует развитию трещин вдоль кромки обрушения. Образовавшиеся блоки в консоли покрывающих пород обладают большей подвижностью, чем блоки более низкого порядка, из-за подработки и потери связи с нижележащим массивом. То есть в данном случае имеет место геофизическая среда с разномасштабными неоднородностями (структурными блоками), причем расстояние между структурными блоками в висячем боку значительно меньше, чем в лежачем. Ведение взрывных работ в такой среде сопровождается значительным воздействием на нее знакопеременных сейсмических волн высокой интенсивности, которые нарушают ее равновесное состояние.

Принимая во внимание тот факт, что вблизи разломов и крупных трещин происходит усиление сейсмического действия взрыва, то и относительное смещение граней соседних структурных блоков на этих участках больше, чем в лежачем боку. В данных условиях требуется меньше энергии для вывода их из положения равновесия, что и наблюдается в натурных условиях. То есть после взрыва первой ступени (1 б,в) через 10-20 мс происходит вывод структурных блоков из положения равновесия, чем и вызывается низкочастотная составляющая колебаний.

Таким образом, воздействие короткозамедленного взрыва на блочную среду за зоной дробления приводит к ее деформированию за счет относительного проскальзывания блоков, их вращения и поступательного движения, что вызывает образование вторичных длиннопериодных волн. Формирование последних проявляется для рассматриваемых условий только при определенном уровне воздействия, величина которого зависит от размера структурных блоков и «жесткости» их заделки во вмещающем массиве. В свою очередь, такое деформирование блочной среды обусловлено перераспределением в пространстве изначально высоких тектонических напряжений, что сопровождается явлениями, связанными с высвобождением запасенной массивом упругой энергии в

виде сейсмических толчков различной интенсивности.

Для оценки размеров зоны влияния массовых взрывов, где возможны необратимые локальные деформации массива использованы данные о сейсмическом действии массовых взрывов на различных расстояниях от границ отбойки. По аналогии с [9] зону, где возможны необратимые локальные деформации в массиве, оконтуривали по критической скорости смещения в волне сжатия, которая для рассматриваемых условий составляет величину 0.1-0.15 м/с. Радиус данной зоны описывается эмпирической зависимостью:

R = 3.125

Г к 1 -0.767 г

[[V ]] і

Т

м,

где: R - расстояние от центра секции до границы зоны сотрясательного воздействия взрыва, м; К=0.67+0,197а+ 0,081а2 - коэффициент, учитывающий влияние угла прихода сейсмических волн в точку наблюдения; а - угол между фронтом отбойки и точкой наблюдения, рад.; Q - общий вес ВВ, кг; [V] - критическая скорость смещения в волне сжатия, см/с; S - фронтальная площадь сечения отбиваемой секции, м; Т - толщина взрываемой секции, м; Ж - величина линии наименьшего сопротивления, м.

Особенности проявления сейсмичности при производстве массовых взрывов

Анализ данных сейсмостанции ОАО "Апатит" показывает, что практически 70% всех сейсмических событий после массового взрыва происходит в зоне их влияния. На рисунке 2 в и»2 ... качестве примера показано наиболее

0:06:4: 02.02.92-02.02.92

ж» а) - под висячим боком;

а)

б) - на участках смежных с висячим боком;

в)

Рис. 2. Распределение сейсмических событий (•) в первые сутки после массовых взрывов, произведенных: а) под висячим боком; б) в смежных с висячим боком участках; в) в лежачем боку

характерное распределение очагов сейсмических событий в течение суток после производства массовых взрывов на различных участках рудного тела.

При взрывах в лежачем боку, где зона необратимых локальных деформаций не выходит под висячий бок, имеет место незначительная сейсмическая активность, а все сейсмические события приурочены непосредственно к зоне влияния массового взрыва (рис. 2 в).

При отбойке секций под консолью необрушенных пород висячего бока и смежных с ними (рис. 2 а, б), при которых зона необратимых локальных деформаций проявляется и в массиве консоли, наибольшее число сейсмических событий приурочено именно к консоли, что подтверждает ранее сделанные выводы о преимущественном движении блоков, слагающих консоль необрушенных пород. Рассматривая очередность проявления сейсмических событий при данных взрывах, можно видеть, что первые события в большинстве случаев формируются в консоли, а затем непосредственно вблизи границ отбойки, а именно, в угловых зонах, т.е. в зонах концентрации статических напряжений. Очередность проявления сейсмических событий в данном случае носит периодический характер. Такая же тенденция проявления сейсмичности имеет место и при других взрывах, производимых под висячим боком, т.е. первоначально сейсмические события

появляются в консоли, а затем вблизи границ отбойки, чередуясь между собой. Продолжительность существования наведенной взрывом сейсмичности напрямую связана с уровнем динамического воздействия. При этом, чем больше зона влияния массового взрыва, тем более продолжительное время проявляется сейсмоактивность массива, что, в свою очередь, приводит к высвобождению на больших площадях накопленной в массиве упругой энергии с последующей разгрузкой массива. В данном случае увеличивается и промежуток времени, за который массив возвращается в устойчивое состояние.

С помощью операции статистической оценки пространственной переменной установлены некоторые закономерности проявления очагов сейсмических событий вокруг границ взрыва и очистного пространства, очередность и временные интервалы их проявления. При этом установлено, что в зоне действия массового взрыва, где возможны необратимые локальные деформации при динамическом нагружении, образуется несколько очаговых зон с определенной последовательностью и цикличностью их проявления (рис. 3). Для массива, находящегося в устойчивом состоянии, первоначально наиболее интенсивно сейсмические события проявляются, как правило, в границах наиболее ослабленных структурных блоков Продолжительность проявления сейсмичности в этой зоне составляет первые десятки минут.

Рис. 3. Распределение сейсмических событий (•) в первые сутки после массовых взрывов: а - под висячим боком; б - в смежных с висячим боком участках; в - в лежачем боку

Последующие циклы продолжительностью от 1.5 до 3.5 ч и интервалом между ними от 2 до 4 ч происходят вокруг первоначально образованных зон, смещаясь к периферии и границам отбойки. Такая последовательность проявления зон активности связана с процессами накопления и диссипации энергии. При этом переход системы от одной структуры к другой происходит не постепенно, а скачкообразно в соответствии с изложенными ранее модельными представлениями формирования и реализации динамических явлений в рудниках. Выявленные закономерности позволяют при известной структуре массива определять места проявления сейсмических событий и избирательно воздействовать на массив путем выбора режима ведения взрывных работ и необходимой мощности массового взрыва.

Прогноз развития обрушений на подземных рудниках Хибин по кинетике техногенного

сейсмического процесса

Г орные работы на рудниках Хибин достигли таких объемов, которые обусловили существенное увеличение техногенного воздействия на тектонически напряженный массив, что проявляется в подвижках блоков, формировании на поверхности больших зон обрушения, трещин отрыва и других проявлений. Одновременно с этим резко повышается степень напряженности в отдельных структурных блоках, что, в свою очередь, приводит к повышению уровня сейсмичности.

Реакция массива горных пород на мощные взрывные воздействия в решающей мере зависит от степени подготовки массива к естественной разрядке. Поэтому не все естественные воздействия могут привести к высвобождению тектонических напряжений. Анализ имевших место на подземных рудниках горных ударов показал, что во многих случаях они возникают вслед за массовыми взрывами и около 70% всех проявлений горного давления отмечаются в основании блоков, в подсечных и откаточных выработках и в блоках-целиках. Но все же большинство наиболее крупных сейсмических событий происходит в промежутке между массовыми взрывами и приурочены они к консоли покрывающих пород.

Из динамики изменения энергии сейсмических событий во времени и их местоположения в пространстве (рис. 4 а, б) следует, что реализация крупных сейсмических событий (более 105 Дж) происходит в основном в консоли необрушенных пород в период подготовки массива к обрушению и его реализации. На рисунке 4 а максимальные пики соответствуют моментам обрушения консоли.

Энергия СС с 1994 - 1 кв. 2009 гг Юкспор р-к

16000000

14000000

12000000

10000000

8000000

6000000

1 I

--Л /к- Л 11 гМ А. 1 Л л 1— /V./ 1 Л ,1/

5Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°Ё°

55555555555555555555555555555

Рис. 4. Динамика изменения энергии сейсмических событий с энергией более 10 Дж в период 1994-2009 гг.

Для прогноза таких опасных явлений, как обрушение, весьма важным представляется выявление потенциально опасных зон в районе крупномасштабной выемки горных масс, где извлекаются и перемещаются значительные объемы горной массы и формируются значительные по площади подработанные пространства, которые и определяют процесс развития самообрушений.

Для решения данной задачи применительно к условиям подземных рудников Хибин адаптирована теория количественного описания сейсмических процессов в реальной среде, основанная на законе производства сейсмической энтропии [11]. Теория количественного описания -это установление в течение некоторого временного интервала Т (сейсмического цикла) закономерностей между параметрами крупных сейсмических событий и кумулятивными параметрами событий индикаторов, которые позволяют с некоторой точностью предсказать поведение системы. Состояние сейсмической системы внутри сейсмических циклов (между двумя

18000000

0

Nc,

крупными событиями) описывается кумулятивными параметрами Ес и Sc: Ес = X Ег,

г=1

Nc^ ( Л

(Ес, ,) = - ,с] -1 ) * Ес - X 1(,г _ ,с]-\))>

1=1

где Ъ - время излучения событий-индикаторов; Е; - сейсмическая энергия событий-индикаторов; Nct -число всех событий-индикаторов внутри сейсмического цикла на момент времени ^ Sc - функция плотности состояния сейсмической системы.

По результатам вычислений строятся трековые диаграммы в плоскости WK (W - энтропия, К -класс сейсмического события). На диаграмме подготовка сильного сейсмического события изображается ступенчатой конечной траекторией, которае притягивается к определенной области на диаграмме, где система теряет устойчивость. Такие особые области принято называть странными аттракторами. Форма трека отражает механизм неустойчивости и подвижек на разломе, и по их конфигурации в принципе можно определить сегмент разлома, на котором произойдет локальная потеря неустойчивости.

За сейсмические системы были приняты шахтные поля Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений, включающие в себя события в диапазоне Е=\02-\07 Дж. В качестве сейсмического цикла принимался интервал времени между событиями с энергий Е>\06 Дж, события индикаторы -Е= \02-\05 Дж (рис. 5).

начало цикла

(^)конец цикла

Рис. 5. Пример сейсмического цикла для Юкспорского месторождения

В результате построены трековые диаграммы и аттракторы, в которых выделены зоны неустойчивости. Установлено, что эти зоны приурочены в основном к границам обрушения покрывающих пород и разломным структурам. Выявлена взаимосвязь между формой трека, показателем энтропии и потери устойчивости массива, что позволяет судить о состоянии массива в различные периоды его отработки.

Так, для Юкспорского месторождения (рис. 6) особенностью рассматриваемого сейсмического процесса является то, что четко выделяются четыре зоны с определенной последовательностью их проявления. Для зоны \ характерно то, что реализация крупных сейсмических событий происходит без резких смещений треков, а продолжительность сейсмического цикла составляет от 4 до 24 месяцев. Эту зону можно охарактеризовать как переходную — от устойчивого к неустойчивому состоянию. Во второй и третьей зонах продолжительность циклов намного меньше, чем в первой и имеет место резкое смещение треков вверх, что говорит о потере устойчивости системы. Четвертая зона объединяет вторую и третью. Продолжительность циклов в этой зоне составляет от первых часов до нескольких суток и также имеет место резкое смещение треков вверх.

Для выявления критических зон в конкретных условиях на план горных работ переносились сейсмические события, завершающие циклы из каждой выделенной зоны и получено две характерные области с неустойчивым состоянием вблизи границы обрушения (рис. 6).

Сейсмическая энтропия

Рис. 6. Трековые диаграммы, аттрактор и однородные сейсмотектонические зоны (1-4), в которых происходит потеря устойчивости для сейсмической системы Юкспорского месторождения

В первой области (разрезы 4-13) за рассматриваемый период за четыре акта произошла полная качественная перестройка системы от состояния покоя вплоть до полной потери устойчивости, выразившейся в образовании единичных трещин, их объединения, прорастания магистральной трещины вдоль кромки обрушения и непосредственно обрушения подработанной горными работами и оконтуренной трещинами отрыва части массива покрывающих пород (заштрихованная область).

Рис. 7. Местоположение зон неустойчивости в границах шахтного поля Юкспорского месторождения

Во второй области (разрез 15-20) в настоящее время просматриваются только две зоны - зона перехода от устойчивого состояния к неустойчивому, т.е имеет место первая стадия неустойчивого состояния. Маркшейдерские съемки на этом участке зафиксировали развитие трещины отрыва в покрывающих породах.

Такая последовательность проявления зон неустойчивости связана как с технологией ведения горных работ, так и с воздействием на массив массовых и технологических взрывов. Динамические системы, имеющие несколько аттракторов, при незначительных внешних воздействиях могут "перескакивать" с одного аттрактора на другой. Такой скачок называется бифуркацией, а момент времени, в который он произошел, - точкой бифуркации. При бифуркациях происходит значительная качественная перестройка динамики системы. Несколько последовательных бифуркаций могут приводить к полной потере устойчивости, что и имело место для рассматриваемой сейсмической системы.

Таким образом, принятая методика выявления критических зон при ведении крупномасштабных работ в высоконапряженных массивах, основанная на кинетике реального техногенного сейсмического процесса, позволяет выявлять очаговые зоны с неустойчивым состоянием и степень их подготовки к естественной разрядке, определить последовательность проявления бифрукаций в очаговых зонах и их количество, определяющих стадии потери устойчивости массива в зависимости от внешнего воздействия, что позволяет повысить надежность районирования сейсмоопасных участков шахтного поля и создает реальные предпосылки для улучшения временной локализации периодов повышенного риска.

С другой стороны, зная последовательность проявления опасных зон и их критическое состояние можно прогнозировать участки обрушения покрывающих пород и выбирать порядок отработки нижележащих горизонтов, который бы максимально способствовал развитию самообрушения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курленя М.В., Опарин В.Н. Некоторые особенности реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне: препринт. ИГДСО АН СССР. Новосибирск, 1984. № 10. 32 с. 2. Родионов В.Н. Основы геомеханики / В.Н. Родионов, И.А. Сизов, В.М. Цветков. М.: Недра, 1986. 301 с. 3. Адушкин В.В., Спивак А.А. Афтершоки подземных взрывов: препринт. ИГД АН СССР, 1991. 34 с. 4. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1989. № 9. С. 9-16. 5. Кондратьев С.В. Методика измерения относительного движения породных блоков // Контроль состояния скального массива при долговременной эксплуатации крупногабаритных подземных сооружений. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1993. С. 64-74. 6. Явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.В. Адушкин и др. // Механика горных пород. Горное и строительное машиноведение. Технология горных работ. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1993. 220 с. 7. Курленя М.В., Опарин В.Н. О явлении знакопеременной реакции массивов горных пород на динамические воздействия // ФТПРПИ, 1990. № 4. С. 3-13. 8. Курленя М.В., Опарин В.Н. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа VM // ДАН, 1993. Т. 333, № 4. С. 515-521. 9. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. М.: Недра, 1993. 319 с. 10. Рулев Б.Г. Динамические характеристики сейсмических волн при подземных взрывах // Взрывное дело, 1968. № 64/21. С. 109-158. 11. Акопян С.Ц Количественное описание сейсмических процессов на основе сейсмической энтропии // Физика Земли, 1988. № 1. С. 11-26.

Сведения об авторах

Козырев Сергей Александрович - д.т.н., зав. лаб.; e-mail: skozirev@goi.kolasc.net.ru Усачев Евгений Андреевич - младший научный сотрудник; e-mail: madly@bk.ru