Assessment of the hazards caused by gas dynamic phenomena based on analyzing in-situ and laboratory studies of elastic wave propagation velocities in the host rocks of the Internatsionalnaya kimberlite pipe

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-65-72

Читать на русскоя языкеN.E. Moroz1, S.G. Gendler1, K.V. Romanevich2
1 Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation
2 VNIMI JSC, Saint Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №2 / 2025 p.65-72

Abstract: The article discusses a method of zoning rock masses by their physical and mechanical properties using the velocities of elastic waves propagation obtained in laboratory conditions when studying core samples and in situ conditions when processing seismic datasets of process blasts performed in driving mine workings at the Internatsionalnaya mine. The velocities of elastic primary and secondary waves propagation in rock samples were determined using the “Ultrazvuk” instrument. The ultimate strength of rocks under uniaxial compression was determined by means of a test press using cylindrical specimens with the height-to-diameter ratio of approximately 2:1, which corresponded to the height of 60±2 mm with the diameter of the specimens being 30±2 mm. The results of laboratory tests indicate that the values of primary wave propagation velocity correlate with the values of uniaxial compression strength of the core samples. The combination of laboratory and field tests is promising for using in further forecasts and calculations of parameters for measures to prevent gas-dynamic phenomena. The obtained results indicate that the value of uniaxial compressive strength of bituminous dolomite rock mass should be taken as 60 MPa for further forecast calculations.

Keywords: gas-dynamic events, rock outbursts, gas emissions, elastic waves, uniaxial compression strength

For citation: Moroz N.E., Gendler S.G., Romanevich K.V. Assessment of the hazards caused by gas dynamic phenomena based on analyzing in-situ and laboratory studies of elastic wave propagation velocities in the host rocks of the Internatsionalnaya kimberlite pipe. Russian Mining Industry. 2025;(2):65–72. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-65-72

Article info

Received: 19.01.2025

Revised: 05.03.2025

Accepted: 21.03.2025

Information about the authors

Nikita E. Moroz – Postgraduate Student, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0002-4401-1989 , e-mail: moroz.nikita.1998@mail.ru

Semeon G. Gendler – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0002-7721-7246, e-mail: sgendler@mail.ru

Kirill V. Romanevich – Cand. Sci. (Eng.), Leading Research Associate, VNIMI JSC, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0009-0005-2052-7816; e-mail: romanevichkirill@gmail.com

References

1. Оксман В.С., Трубецкой Н.К., Гражданкин А.И. Анализ летальных несчастных случаев в горнорудной и нерудной промышленности России. Безопасность труда в промышленности. 2021;(3):28–35. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2021-3-28-35 Oksman V.S., Trubetskoi N.K., Grazhdankin A.I. Analysis of fatal injuries in the mining and non-metallic industry of Russia. Occupational Safety in Industry. 2021;(3):28–35. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2021-3-28-35

2. Барях А.А., Андрейко С.С., Федосеев А.К. Газодинамическое обрушение кровли при разработке месторождений калийных солей. Записки Горного института. 2020;246:601–609. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.1 Baryakh A.A., Andreiko S.S., Fedoseev A.K. Gas-dynamic roof fall during the potash deposits development. Journal of Mining Institute. 2020;246:601–609. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.1

3. Сидоров Д.В., Пономаренко Т.В., Косухин Н.И. Управление фактором геодинамической безопасности для обеспечения устойчивого развития АО «СУБР». Горный журнал. 2021;(1):81–85. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.14 Sidorov D.V., Ponomarenko T.V., Kosukhin N.I. Geodynamic safety management toward sustainable development of Severouralsk Bauxite Mine. Gornyi Zhurnal. 2021;(1):81–85. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.14

4. Андрейко С.С. Газодинамические явления при проходке подготовительных выработок во вмещающих породах на руднике «Интернациональный» АК «Алроса». В: Барях А.А. (ред.). Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. Пермь: Горный институт УрО РАН; 2016. С. 304–307.

5. Зыков В.С., Иванов В.В., Пуль Э.К., Вьюников А.А. Оценка газодинамических и фильтрационных характеристик вмещающих пород рудника «Интернациональный» компании «Алроса». Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2021;(3):26–33. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2021.76.95.003 Zykov V.S., Ivanov V.V., Pul E.K., Vyunikov A.A. Evaluation of gas dynamic and filtering characteristics of the internet rocks of the Internatsionalny miner of Alrosa company. Bulletin of Scientific Centre VostNII for Industrial and Environmental Safety. 2021;(3):26–33. (In Russ.) https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2021.76.95.003

6. Мороз Н.Е., Гендлер С.Г., Вьюников А.А. Газодинамические явления при проходке выработок во вмещающих породах кимберлитовой трубки «Интернациональная». Горная промышленность. 2023;(S1):96–102. https://doi. org/10.30686/1609-9192-2023-S1-96-102 Moroz N.E., Gendler S.G., Vyunikov A.A. Gas-dynamic phenomena in tunnel driving thought the host rocks of the ‘International’ kimberlite pipe. Russian Mining Industry. 2023;(1 Suppl.):96–102. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-96-102

7. Коноваленко В.Я. Справочник физико-механических свойств горных пород алмазных месторождений Якутии. Новосибирск: Изд-во Сибирского отд-ния Российской акад. наук; 2012. 275 с.

8. Мороз Н.Е., Гендлер С.Г. Определение опасных по газодинамическим явлениям участков горных пород на основе критериев хрупкого разрушения. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2024;(3):82–90. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2024-3-82-90 Moroz N.E., Gendler S.G. Determining areas prone to gas-dynamic phenomena based on brittle fracture criteria. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Gornyy Zhurnal. 2024;(3):82–90. (In Russ.) https://doi.org/10.21440/0536-1028-2024-3-82-90

9. Серебряков Е.В., Гладков А.С. Геолого-структурная характеристика массива глубоких горизонтов месторождения Трубка «Удачная». Записки Горного института. 2021;250:512–525. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.4.4 Serebryakov E.V., Gladkov A.S. Geological and structural characteristics of deep-level rock mass of the Udachnaya pipe deposit. Journal of Mining Institute. 2021;250:512–525. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.4.4

10. Деменков П.А., Романова Е.Л., Котиков Д.А. Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(11):33-48. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_11_0_33 Demenkov P.A., Romanova Е.L., Kotikov D.A. Stress-strain analysis of vertical shaft lining and adjacent rock mass under conditions of irregular contour. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(11):33-48. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_11_0_33

11. Трушко В.Л., Баева Е.К. Обоснование рациональных параметров крепи комплекса горных выработок, проводимых в сложных горно-геологических условиях. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(12):55–69. Trushko V.L.1, Baeva E.K. Substantiation of rational parameters of mine support system for underground roadways in difficult geological conditions. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(12):55–69. (In Russ.)

12. Багаутдинов И.И., Беляков Н.А., Севрюков В.В., Рассказов М.И. Применение модели упрочняющегося грунта для прогноза зоны пластических деформаций массива слабоустойчивых пород яковлевского железорудного месторождения. Горный журнал. 2022;(12):16–21. https://doi.org/10.17580/gzh.2022.12.03 Bagautdinov I.I., Belyakov N.A., Sevryukov V.V., Rasskazov M.I. Hardening soil model in prediction of plastic deformation zone in soft rock mass of Yakovlevo iron ore deposit. Gornyi Zhurnal. 2022;(12):16–21. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2022.12.03

13. Трофимов А.В., Киркин А.П., Румянцев А.Е., Колганов А.В. Использование данных акустического сканирования стенок глубоких скважин для воссоздания действующего режима напряжений на полиметаллическом месторождении интрузивного генезиса. Горный журнал. 2024;(1):68–74. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.11 Trofimov A.V., Kirkin A.P., Rumyantsev A.E., Kolganov A.V. The use of deep borehole imaging data in reconstruction of active stress mode at a polymetallic deposit of intrusive genesis. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):68–74. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.11

14. Семенова И.Э., Константинов К.Н., Кулькова М.С. Оценка напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности подземных выработок глубокого заложения комплексом инструментальных и численных методов. Горный журнал. 2024;(1):22–28. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.04 Semenova I.E., Konstantinov K.N., Kulkova M.S. Estimation of stress–strain behavior in surrounding rock mass around deep underground openings using a set of instrumental and numerical methods. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):22–28. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.04

15. Марысюк В.П., Трофимов А.В., Киркин А.П., Шутов А.А. Определение напряженно-деформированного состояния массива на участке скипового ствола СС-1 рудника «Октябрьский» методом полной разгрузки керна. Горный журнал. 2024;(3):34–40. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.03.04 Marysyuk V.P., Trofimov A.V., Kirkin A.P., Shutov A.A. Stress–strain determination in Oktyabrsky Mine SS-1 skip shaft area by overcoring. Gornyi Zhurnal. 2024;(3):34–40. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.03.04

16. Кашников Ю.А., Ермашов А.О., Ефимов А.А. Геолого-геомеханическая модель участка Верхнекамского калийного месторождения. Записки Горного института. 2019;237:259–267. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.3.259 Kashnikov Y.A., Ermashov A.O., Efimov A.A. Geological and geomechanical model of the Verkhnekamsk potash deposit site. Journal of Mining Institute. 2019;237:259–267. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.3.259

17. Лебедева О.О. Анализ и подготовка исходных данных для построения геолого-геомеханической модели участка верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. Недропользование. 2022;22(3):139–143. Режим доступа: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/3573 (дата обращения: 23.02.2025). Lebedeva O.O. Analysis and preparation of initial data for building a geological and geomechanical model of the area at the Verkhnekamskoye potassium-magnesium salt deposit. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering. 2022;22(3):139– 143. Available at: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/3573 (accessed: 23.02.2025).

18. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Востриков В.И. О деформационно-волновых процессах в окрестности горной выработки при взрывах. Физическая мезомеханика. 2004;7(1):31–36. Oparin V.N., Tapsiev A.P., Vostrikov V.I. On strain-wave processes in the vicinity of a mine at blasting operations. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2004;7(1):31–36. (In Russ.)

19. Кочанов А.Н. Исследование особенностей эволюции микродефектов при взрывном разрушении горных породах. Инженерная физика. 2007;(6):48–51. Kochanov A.N. Investigation of the features of the evolution of microdefects during explosive destruction of rocks. Inzhenernaya Fizika. 2007;(6):48–51. (In Russ.)

20. Кочанов А.Н. Динамика изменений упругих и прочностных свойств горных пород после взрывного воздействия. Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013;18(4-2):1685–1686. Kochanov A.N. Dynamics of changes of elastic and strength properties of rocks after explosive impact. Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. 2013;18(4-2):1685–1686. (In Russ.)

21. Вьюнников А.А., Хоютанова Н.В., Романевич К.В., Панин С.Ф., Разумов Е.Е. Сейсмический мониторинг и оценка геодинамических процессов при ведении горных работ в условиях подземного рудника «Интернациональный». Горная промышленность. 2024;(3S):26–31. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-26-31 Vyunnikov A.A., Khoyutanova N.V., Romanevich K.V., Panin S.F., Razumov E.E. Seismic monitoring and assessment of geodynamic processes during mining operations in conditions of the International underground mine. Russian Mining Industry. 2024;(3S):26–31. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-26-31

22. Мулев С.Н., Питаль М.Н., Панин С.Ф., Тюхрин В.Г. Современные технологии сейсмического мониторинга угольных шахт и рудников. Горный журнал. 2019;(9):68–72. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.09.08 Mulev S.N., Pital M.N., Panin S.F., Tyukhrin V.G. Advanced seismic monitoring technologies for coal and ore mines. Gornyi Zhurnal. 2019;(9):68–72. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.09.08

23. Гаврилов А.Г., Штирц В.А., Рукавишников Г.Д. Современные подходы контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород по данным сейсмических наблюдений на Таштагольском железорудном месторождении. Горная промышленность. 2024;(3S):32–36. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-32-36 Gavrilov A.G., Shtirts V.A., Rukavishnikov G.D. Modern approaches to control stress-strain state of rock mass using seismic data at the Tashtagol iron mine. Russian Mining Industry. 2024;(3S):32–36. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-32-36

24. Разумов Е.Е., Рукавишников Г.Д., Мулёв С.Н., Простов С.М. Анализ сейсмической активности массива при ведении горных работ на шахте «Комсомольская» АО «Воркутауголь». Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(1):104–114. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_104 Razumov E.E., Rukavishnikov G.D., Mulev S.N., Prostov S.M. Seismic activity in rock mass during mining operations in Vorkutaugol’s Komsomolskaya mine. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(1):104–114. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_104

25. Савельев Ю.А., Черкасова Е.Ю. Количественное измерение телесных углов. Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2015;(4):32–42. https://doi.org/10.20291/2079-0392-2015-4-32-42 Savelyev Yu.A., Cherkasova E.Yu. Quantitative measurements of solid angles. Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2015;(4):32–42. (In Russ.) https://doi.org/10.20291/2079-0392-2015-4-32-42

26. Ломакин В.С. Региональный прогноз удароопасности шахтных полей на основе сейсмологических наблюдений: дис. … канд. техн. наук. Свердловск; 1984. 180 с.

27. Питаль М.Н., Мулев С.Н. Программный комплекс GITS2. Руководство по эксплуатации. СПб.: ВНИМИ; 2024. 117 с.

28. Разумов Е.Е., Рукавишников Г.Д., Климко В.К. Геофизический прогноз удароопасности при ведении горных работ. В кн.: Костиков К.С. (ред.) Россия молодая: сб. материалов 13-й Всерос. науч.-практ. конф. с международным участием, г. Кемерово, 20–23 апреля 2021 г. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева; 2021. С. 10908.1–10908.6. Режим доступа: https://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/ RM/2021/RM21/pages/Articles/010908.pdf (дата обращения: 23.02.2025).

29. Romanevich K., Mulev S., Taratinsky G., Pital’ М. Analyses of seismic activity characteristics in coal mines and mine sites. In: Soloviev A.A., Gvishiani A.D. (eds) Abstracts of the International Conference, dedicated to the 70th anniversary of the Geophysical Center of the RAS and the 300th anniversary of the Russian Academy of Sciences “Data Science, Geoinformatics and Systems Analysis in Geosciences” Suzdal, 25–27 September 2024. Suzdal: Геофизический центр РАН; 2024, pp. 42.

30. Мороз Н.Е., Гендлер С.Г., Вьюников А.А., Разумов Е.Е. Применение геомеханического показателя качества породы RQD для прогноза газодинамических явлений при проходке выработок на руднике «Интернациональный». Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023;(4):628–639. Moroz N.E., Gendler S.G., Vyunikov A.A., Razumov E.E. Rock quality designation (RQD) application for prediction gas-dynamic phenomena in tunnel driving at the mine “International”. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2023;(4):628–639. (In Russ.)

31. Протосеня А.Г., Вильнер М.А., Сотников Р.О. Прогноз устойчивости породных обнажений, располагаемых в структурно-нарушенных массивах рудников КФ АО «Апатит». В кн.: Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально-сырьевого комплекса: сб. науч. тр. 3-й Всерос. науч. конф., г. Санкт-Петербург, 5–6 марта 2020 г. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет; 2020. С. 1569–1575.

32. Дарбинян Т.П., Цымбалов А.А., Зубов В.П., Колганов А.В. Влияние трещиноватости горного массива на разубоживание медно-никелевых вкрапленных руд при их добыче на руднике «Октябрьский». Горный журнал. 2023;(6): 19–25. https://doi.org/10.17580/gzh.2023.06.03 Darbinyan T.P., Tsymbalov A.A., Zubov V.P., Kolganov A.V. Impact of rock mass jointing on dilution of disseminated copper–nickel ore in Oktyabrsky Mine. Gornyi Zhurnal. 2023;(6):19–25. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.06.03

33. He M., Zhao J., Deng B., Zhang Z. Effect of layered joints on rockburst in deep tunnels. International Journal of Coal Science & Technology. 2022;9:21. https://doi.org/10.1007/s40789-022-00489-x

34. Xiao P., Liu H., Zhao G. Characteristics of ground pressure disaster and rockburst proneness in deep gold mine. Lithosphere. 2022;(Special 11):9329667. https://doi.org/10.2113/2023/9329667

35. Cao J., Dou L., Zhu G., He J., Wang S., Zhou K. Mechanisms of rock burst in horizontal section mining of a steeply inclined extra-thick coal seam and prevention technology. Energies. 2020;13(22):6043. https://doi.org/10.3390/en13226043

36. Петухов И.М., Линьков А.М., Сидоров В.С. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: справ. пособие. М.: Недра; 1992. 256 с.