Применение сеисмотомографических исследовании для геомеханического мониторинга участка борта карьера

УДК 622.831

ПРИМЕНЕНИЕ СЕИСМОТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ ДЛЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УЧАСТКА БОРТА КАРЬЕРА

Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, Ю.А. Старцев

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Приведены результаты геомеханического мониторинга прибортового массива пород в окрестности крупной карьерной выемки с использованием сейсмотомографического метода. Показано, что с использованием метода сейсмической томографии можно получать достаточно надежные данные о динамике изменения геомеханического состояния приконтурного массива на достаточно большой площади и тем самым осуществлять геомеханический мониторинг устойчивости приконтурного массива карьера.

Ключевые слова:

открытые горные работы, геомеханическое состояние массива пород, сейсмическая томография.

В настоящее время при ведении крупномасштабных открытых горных работ практически повсеместно происходит значительное углубление карьерных выемок. При этом возникает вопрос об оптимизации конструкции бортов карьеров и, в частности, возможности увеличения углов откосов уступов и, как следствие, увеличения генеральных углов наклона бортов действующих карьеров.

Экономический эффект от повышения генеральных углов наклона бортов даже для среднего по масштабам карьера может быть весьма значителен за счет прироста запасов и уменьшения объема вскрыши. При этом для обоснования параметров уступов и бортов карьеров, обеспечивающих безопасность производства горных работ, необходимо детально исследовать свойства, структурные особенности и напряженное состояние приконтурного массива пород.

Учитывая высокую значимость определения оптимальных углов наклона бортов в предельном положении, Горный институт КНЦ РАН с начала 1990-х гг. проводит исследования в этой области с учетом фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) вмещающего массива горных пород и параметров нарушенной зоны в приконтурной зоне карьеров [1-3]. При этом одним из основных вопросов, который приходится решать при формировании бортов карьеров на конечном контуре с повышенными углами откосов, является вопрос организации геомеханического мониторинга массива пород в окрестности карьерных выемок.

Для решения этой задачи Горным институтом КНЦ РАН была разработана комплексная методика, включающая в себя ряд методов локального мониторинга геомеханического состояния массива пород, таких как метод разгрузки, телесъемки стволов скважин, ультразвукового каротажа, контроля разрушения скважин и др. Одним из применяемых методов мониторинга является метод сейсмической томографии, который обладает существенными преимуществами перед другими локальными методами, поскольку позволяет получить картину состояния массива пород на достаточно большой его площади (в варианте 2D-измерений) или объеме (в варианте 3D-измерений) и проследить изменения состояния массива в различные моменты времени [4].

В связи с решением о строительстве крупного и глубокого карьера и формированием борта высотой около 800-900 м особую значимость приобретают вопросы организации геомониторинга в условиях карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» [5]. Объектом геомониторинга сейсмотомографическим методом на руднике «Железный» является прибортовый массив пород, в первую очередь, на участках борта с вертикальными углами откоса уступов.

Методика выполнения исследований

Сейсмотомографический полигон (рис. 1, 2) на северном борту карьера на горизонте +118 м был заложен в 2006 г.

Рис. 1. Общий вид сейсмотомографического полигона: красными метками обозначены места

установки сейсмоприемников

Рис. 2. Схема проведения сейсмотомографических измерений

Сейсмотомографические работы проводили по методике профилирования, при этом возбуждение и прием упругих колебаний осуществлялся вдоль общего профиля.

Для улучшения условий приема упругих волн, а также для обеспечения идентичности условий их приёма и возбуждения, вдоль измерительного профиля на высоте 1.5-2 м от подошвы уступа в коренных породах пробурены шпуры глубиной 0.5 м, в которых зацементированы металлические штыри (реперы). Шаг расстановки сейсмических датчиков и пунктов возбуждения выбран в пределах 5 м, что обеспечивает необходимую детальность исследований. Размеры контролируемого объёма массива составляют: общая длина исследуемого участка 160 м; глубина от контура борта уступа порядка 30 м.

Возбуждение упругих колебаний осуществлялось механическим способом. Для обеспечения большей достоверности получаемой сейсмотомографической информации на границах исследуемого участка, источники возбуждения вынесены за пределы крайних датчиков на 20 м. Обработка томографических наблюдений выполнена с помощью специализированной программы «ХТото-ЬМ». Координаты пунктов определялись инструментальным способом.

Результаты исследований

Всего к настоящему времени проведено пять циклов сейсмотомографических исследований.

В 2009 году на горизонте непосредственно под южной частью сейсмотомографического полигона проводились горные работы, в частности взрывная отбойка руды. В результате приконтурная часть уступа разрушилась, часть бермы горизонта +118 м в районе реперов 10-12 оказалась заваленной обвалившейся породой мощностью 1.5-2 м, а над реперами 9-11 стенка уступа приобрела отрицательный угол. В верхней части стенки на этом участке образовался большой закол. Реперы 1а, 2а оказались в заколах, отделенных от массива, что не позволило их использовать для дальнейших наблюдений. Таким образом, участок массива между пикетами 0 м - 40 м вынужденно был исключен из системы наблюдения. Кроме того, в 2010 г. поток воды левее репера 1, который

существовал на протяжении всех предыдущих измерений, был отведен, и это сказалось на состоянии массива между реперами 1 и 4. Остальная часть полигона изменений не претерпела.

На рис. 3 представлены скоростные модели исследованного участка массива с 2006 г. по 2010 г. (5 циклов измерений).

18 июня 2006 г.

0 20 40 60 80 100 120 140 160“

0

-5

-10

5

10

уступа

04 июня 2007 г.

20 40 60 80 100 120 140 160 м

15 10 5 0 -5 -10

Контур_

уступа

15

10

5

0

-5

-10

04 июля 2008 г.

60 80 100 120 140 160 м

15

10

[О'у/^5 22 2Ґ0

уступа

6 7 8 9 10

9 1(Р 11 12 13 14 15 16 17 18

-5

-10

15 июля 2009 г.

40

60

80

15

10

5

0

-5

-10

100 120 140 160 м

—1--------------------------------1-1----------------Иб

-10 -5 0

22 23

1 2Ш 3

м

Контур уступа

5* 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

-5

-10

15 июля 2010 г.

5

м

м

м

м

м

м

2 5^^6 7 • 8 9* 10 11 12 13 14 15 16 17

5

0

5

10

м

Контур

уступа

Трещиноватые породы

Монолитные породы

vp км/с

Рис. 3. Скоростные модели исследованного участка массива с 2006 по 2010 гг.

0

Анализ полученных результатов

По результатам трех первых этапов измерений (2006-2008 гг.) можно заключить, что контролируемый массив находился в устойчивом состоянии, за исключением приконтурной части уступа, где происходило постепенное разрушение пород.

Начиная с четвертого этапа измерений (2009 г.) разрушение приконтурной части массива приняло прогрессирующий характер, что выразилось прежде всего в ухудшении акустического контакта между реперами и массивом при возбуждении и приеме упругих колебаний. Кроме того, измерения двух последних этапов (2009 и 2010 гг.) проводились в условиях сильных помех от работающей техники на нижележащем горизонте, и это также повлияло на точность полевых и камеральных работ.

Результаты измерений 2010 г. свидетельствуют о том, что наблюдаемый участок характеризуется высокой неоднородностью скоростей распространения продольных упругих волн Vp, которые изменяются в интервале от 2.6 до 6.7 км/сек. Зоны массива, в которых скорости продольных волн находятся в интервале 2.6-4.2 км/с, отнесены к высоко-трещиноватым, разрушенным, а зоны со скоростями Vp в интервале 4.3-6.7 км/сек - к монолитным, прочным. При этом результаты пятого цикла измерений показывают, что скоростное поле стало более контрастным по сравнению с четвертым этапом. Как и ранее, нарушенные зоны формируются прежде всего на контуре уступа. Однако уже и в глубине массива наблюдается значительные изменения поля скоростей продольных волн. Это свидетельствует об изменении геомеханического состояния массива.

Низкоскоростные зоны в глубине массива между реперами 1-8, возможно, существовали раньше. Вода, которая стекала с вышележащих уступов, по трещинам проникала в массив до репера 8 и, по-видимому, сильно влияла на скорость продольных волн в сторону их увеличения. В данный момент этот участок массива перестал быть обводнённым и скорости продольных волн уменьшились. На участке между пикетами 80 м - 160 м в глубине массива, наоборот, произошло увеличение скоростей продольных волн, связанное с процессом увлажнения этого участка. Вероятно, исследуемый массив в глубине имеет развитую трещиноватую структуру, сплошность и монолитность которой, по сейсмотомографическим данным может быть оценена различным образом в зависимости от увлажнения.

Низкоскоростные участки приурочены к борту карьера, и образовались, очевидно, во время отбойки уступа. В результате морозного выветривания и динамического воздействия от взрывов нарушенные породы теряют связь с массивом и осыпаются на уступ. Мощность трещиноватых пород вдоль контура уступа не превышает 10 метров.

Таким образом, проведенные работы позволяют сделать основной вывод о том, что с использованием метода сейсмической томографии можно получать надежные данные о динамике изменения геомеханического состояния приконтурного массива на достаточно большой площади и тем самым осуществлять геомеханический мониторинг состояния приконтурного массива карьера и дать заключение о состоянии его устойчивости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мельников Н.Н. О перспективных направлениях развития открытых горных работ / Н.Н. Мельников, С.П. Решетняк, А.А. Козырев, В.В. Рыбин // Труды международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук»; 1-5 ноября 2004 г., Новосибирск, т. II. «Машиноведение. Геотехнологии». Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2006. С. 212-218. 2. Козырев А.А. Исследование напряженного состояния массива пород в бортах карьера Ковдорского месторождения / А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин, В.А. Мальцев, Ю.Г. Горбунов // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2001. С. 284-287. 3. Козырев А.А. О новых подходах к оценке устойчивости бортов карьеров в скальных породах / А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, В.В. Рыбин // Труды международной конференции: «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2004. С. 231-237. 4. Абрамов Н.Н. Геофизический мониторинг при строительстве и эксплуатации объектов горнопромышленного комплекса и гидроэнергетики / Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2010. 177 с. 5. Епифанова М.В. Инженерно-геологические аспекты проектирования глубокого карьера Ковдорского ГОКа / М.В. Епифанова, С.А. Фёдоров, А.А. Козырев, В.В. Рыбин, Ю.И. Волков // Горный журнал. 2007. № 9. С. 30-33.

Сведения об авторах

Каспарьян Эдуард Варужанович - д.т.н., ведущий научный сотрудник, e-mail: kasp@goi.kolasc.net.ru Рыбин Вадим Вячеславович - к.т.н., старший научный сотрудник, e-mail: rybin@goi.kolasc.net.ru Старцев Юрий Алексеевич - ведущий технолог, e-mail: gstar@goi.kolasc.net.ru