Изменение потока сейсмической энергии при переходе на глубокие горизонты (месторождение Апатитовый Цирк, Хибинский массив)

С.А. Жукова¹ , О.Г. Журавлева¹, В.С. Онуприенко², А.А. Стрешнев^2
1 Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
² Кировский филиал АО «Апатит», г. Кировск, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2023 стр. 110-116

Резюме: Исследование посвящено оценке изменений потока сейсмической энергии при продвижении горных работ на глубокие горизонты на примере апатит-нефелинового месторождения Апатитовый Цирк (Хибинский массив), разработка подземных запасов которого осложняется наличием рядом месторождения Плато Расвумчорр, отрабатываемого открытым способом. В зоне стыковки находятся выработки подземного рудника, борта карьера. В этом районе обнажено большое количество трещин и тектонических нарушений, которые в период снеготаяния обводняются. Вследствие чего происходит изменение напряженно-деформированного состояния отдельных участков массива (преимущественно зон тектонических нарушений), что в целом отражается на сейсмическом режиме месторождений. Вместе с переходом горных работ на глубину отмечается и рост числа сейсмических событий, их энергии на нижних горизонтах рудника. Также в активизации сейсмичности отразились процессы трещинообразования в консольной части массива горных пород. В работе представлены карты площадного распределения потока сейсмической энергии событий по шахтному полю рудника по мере продвижения горных работ на глубину. Установлены участки повышенного уровня распределения потока сейсмической энергии, соответствующие зонам деформаций сжатия (два нижних слоя, где ведутся интенсивные горные работы) и зонам деформаций растяжения в консольной части массива горных пород (верхний третий слой), где происходит постепенное обрушение пород приповерхностной области массива.

Ключевые слова: удароопасные месторождения, геодинамическая безопасность, сейсмический мониторинг, наведенная сейсмичность, поток сейсмической энергии, подземные горные работы, Хибинский массив, месторождение Апатитовый Цирк, месторождение Плато Расвумчорр

Для цитирования: Жукова С.А., Журавлева О.Г., Онуприенко В.С., Стрешнев А.А. Изменение потока сейсмической энергии при переходе на глубокие горизонты (месторождение Апатитовый Цирк, Хибинский массив). Горная промышленность. 2023;(4):110–116. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-4-110-116

Информация о статье

Поступила в редакцию: 25.05.2023

Поступила после рецензирования: 29.06.2023

Принята к публикации: 01.07.2023

Информация об авторах

Жукова Светлана Александровна – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прогноза удароопасности рудных месторождений, отдел геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-0769-6584; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журавлева Ольга Геннадьевна – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прогноза удароопасности рудных месторождений, отдел геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8986-9559; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Онуприенко Вячеслав Сергеевич – главный инженер, Кировский филиал АО «Апатит», г. Кировск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Стрешнев Анатолий Александрович – начальник службы прогноза и предотвращения горных ударов, Кировский филиал АО «Апатит», г. Кировск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Условия ведения горных работ на месторождениях, склонных и опасных по проявлению горных ударов, определяются геомеханическими особенностями месторождений. При интенсивном освоении месторождений полезных ископаемых происходят непрерывные процессы трансформации исходного поля напряжений массива горных пород, что может приводить к увеличению сейсмической активности и реализации опасных геодинамических явлений [1–8]. При достижении критических значений действующих напряжений возможны проявления динамических форм горного давления – от стреляния до горных ударов. По многолетнему опыту ведения горных работ на Хибинских месторождениях опасность динамических проявлений горного давления возникает при величине напряжений в нетронутом массиве 30–40 МПа для большинства типов пород.

Известно, что сейсмическая активность является реакцией массива горных пород на проводимые горные работы, т.е. на изменение поля напряжений при техногенном воздействии. Целью исследований является выявление особенностей параметров сейсмического процесса при продвижении горных работ на глубокие горизонты на примере апатит-нефелинового месторождения Апатитовый Цирк. В качестве информативного параметра сейсмического процесса рассматривается распределение потока сейсмической энергии на определенных участках месторождения, что позволит установить картину формирования и перераспределения поля напряжений в массиве горных пород.

Объект исследований

Расвумчоррский рудник с 1954 г. ведет добычу апатит-нефелиновых руд подземным способом на месторождении Апатитовый Цирк, которое в восточной части граничит с месторождением Плато Расвумчорр, разрабатываемым карьером Центральный с 1964 г. Подземная выемка запасов северо-западного фланга месторождения Плато Расвумчорр осуществляется Расвумчоррским рудником с 1997 г. Месторождения считаются опасными по проявлению горных ударов с отметки +600 м. В настоящее время горные работы уже ведутся на глубоких горизонтах, нижняя высотная отметка – отм. +310 м.

Месторождение Апатитовый Цирк является частью крупной апатит-нефелиновой залежи юго-западного рудного поля Хибинского массива. На северо-западном фланге месторождение Апатитовый Цирк граничит с Юкспорским месторождением, на восточном – с Плато Расвумчорр (рис. 1).

Рис. 1 Схема продольного разреза месторождений Хибинского массива, граничащих с Апатитовым Цирком

Fig. 1 Schematic longitudinal crosssection of deposits in the Khibiny Massif that border on the Apatite Circus deposit

Массив горных пород в пределах месторождения Апатитовый Цирк состоит из блоков разного ранга и осложнен тектоническими нарушениями и геологическими включениями (дайки, жилы и т.д.), что существенно влияет на геодинамический режим месторождения при ведении горных работ, особенно при их интенсификации и переходе на большие глубины.

За многолетний мониторинг района производственной деятельности месторождения Апатитовый Цирк и северозападной части месторождения Плато Расвумчорр были выделены следующие геомеханические условия и особенности их отработки [9–10]:

1. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород на месторождении является гравитационно-тектоническим со значительным преобладанием горизонтальной составляющей (в 2–3 раза) [9]. Причем в породах лежачего бока такое превышение может быть ещё более существенным (до 10 раз).

2. По деформационным и прочностным свойствам породы и руды исследуемых месторождений имеют высокие показатели прочности и упругости. Предел прочности при сжатии руд составляет 80–150 МПа, пород – 120–250 МПа; при растяжении – 3–10 МПа и 5–20 МПа соответственно.

3. Разработку подземных запасов Расвумчоррского рудника осложняет наличие карьера на месторождении Плато Расвумчорр. В зоне стыковки находятся выработки подземного рудника и борта карьера, кроме того, отвалы карьера на поверхности расположены над подземными выработками. Наличие подобного «соседства» оказывает значительное влияние на распределение естественных напряжений в массиве горных пород.

Методы исследований

Отработка запасов апатит-нефелинового месторождения Апатитовый Цирк ведется на нескольких горизонтах: +530 м, +470 м, +450 м, +310 м. Сейсмический мониторинг на этом участке Хибинского массива осуществляется с 2001 г. В настоящее время сеть датчиков охватывает объем массива размером 2000 м x 1000 м x 350 м. Для выявления особенностей развития сейсмического процесса шахтное поле рудника было разделено на три слоя по высоте: 1) от отм. +300 м до отм. +400 м; 2) от отм. +401 м до отм. +500 м; 3) от отм. +501 м до отм. +600 м.

Для оценки сейсмической активности использовалась база данных сейсмических событий за период 2018–2022 гг. В зоне контроля исследуемого месторождения за это время всего произошло более 15 тыс. событий с энергией от 103 Дж, из которых 77 сейсмособытий – с энергией порядка 106–108 Дж. Из них большая часть событий (67) с энергией порядка 106 Дж, 9 событий – 107 Дж и одно событие – 108 Дж. При изучении временных особенностей проявления сейсмической активности использовался статистический анализ данных о динамике параметров сейсмичности и взрывного воздействия на массив горных пород.

Для выявления пространственных аномалий сейсмичности (или их отсутствия) использовался параметр количества выделившейся энергии. Построение карт распределения значений сейсмического энерговыделения находит широкое применение при исследовании природной и техногенной сейсмичности [11–12]. В настоящей работе применялся следующий подход. Для трех выбранных вертикальных слоев территория шахтного поля, охватываемая сетью мониторинга, была разбита на пространственные ячейки размером 50x50 м. Для каждой ячейки проведено определение потока сейсмической энергии (ΣE⁄Sяч – соотношение суммарной выделившейся сейсмической энергии к площади пространственной ячейки). Далее проводилось сопоставление ежегодных карт распределений потока сейсмической энергии по слоям с фактическим продвижением горных работ, информацией о взрывном воздействии на массив горных пород с данными о развитии обрушения консоли, геологическим строением массива.

Результаты исследования и их обсуждение

Временной ход сейсмичности

На рис. 2 представлено ежемесячное распределение числа сейсмических событий. Видно, что существенное увеличение числа сейсмических событий отмечается в 2018 г.: май – сентябрь; в 2020 г.: февраль – август, причем увеличение по отдельным горизонтам неравномерное.

Рис. 2 Ежемесячное изменение числа сейсмических событий

Fig. 2 Monthly variation in the number of seismic events

В мае 2018 г. наблюдается некоторый рост числа событий на верхних горизонтах (+530 м, +470 м), связанный с интенсивным снеготаянием. На нижнем горизонте (+310 м) увеличения числа событий не зафиксировано. Возможно, именно в этот период начался процесс трещинообразования в консоли, который после некоторого затишья в июне перешел в более интенсивную фазу в июле-августе 2018 г., причем сначала происходило формирование трещин в основании консольного зависания (из графика видно, что максимальное число событий приурочено к нижнему горизонту, минимальное – к верхнему). Затем после спада сейсмической активности на всех горизонтах (сентябрь 2018 г.) в октябре начался рост сейсмоактивности на двух верхних горизонтах, по-видимому, связанный с обледенением обводненных трещин и расклиниванием их в приповерхностной толще массива.

В 2020 г. наблюдается длительная активизация сейсмичности на добычных горизонтах ниже отм. +500 м в связи с развитием горных работ на этих горизонтах.

На представленном графике (рис. 2) видны сезонные повышения числа сейсмических событий в периоды обводненности, влияние которой особенно заметно в зоне стыковки Расвумчоррского рудника и карьера Центральный. Многолетние наблюдения за сейсмичностью и обводненностью массива показали для этого участка ежегодную сезонную активизацию весной, когда происходит интенсивное снеготаяние, и осенью, в период продолжительных дождей. Причем сейсмический режим в карьере изменяется в сторону роста в периоды повышенной обводненности массива с мая по июнь и в сентябре [10; 13], затем через несколько дней наблюдается проявление сейсмичности на подземном руднике [4].

Помимо обводненности отдельных участков массива горных пород в сезонный период на сейсмическую активность влияет интенсивное ведение горных работ. Общее изменение уровня сейсмической активности на Расвумчоррском руднике, вероятно, обусловлено повышением взрывного воздействия на массив горных пород при добыче полезного ископаемого на нижних горизонтах. На графиках (рис. 3) хорошо заметен рост числа взрывов (рис. 3, а) и их энергии (рис. 3, б) с 2019 г. на отм. +300 м– +400 м и отм. +401 м–+500 м, а также постепенное уменьшение взрывной деятельности на верхнем горизонте (т.е. дальнейшее проявлений сейсмособытий на верхнем горизонте будет связано в большей степени с формированием трещин отрыва и скола в консольной части массива горных пород).

Рис. 3 Ежемесячное изменение взрывного воздействия на массив горных пород

Fig. 3 Monthly variation of the blast impact on the rock mass

Таким образом, временные графики показывают неравномерность развития сейсмического процесса на различных высотных отметках.

Изменение потока сейсмической энергии

Горизонт +310 м в эксплуатацию введен относительно недавно (очистные работы на отм. +400 м начались в 2019 г.). На этом горизонте максимальные напряжения в руде составляют 35–50 МПа, в породе – 50–70 МПа. В 2018 г. в основном проводились работы по проходке выработок, и область повышенных значений потока сейсмической энергии тяготеет к основанию консольного зависания. На рис. 4 показано площадное распределение потока сейсмической энергии по годам в проекции на план отработки горизонта +310 м с 2019 по 2022 г. Именно в этот период наиболее выражена миграция сейсмоактивных зон, связанная с развитием горных работ, что отражается в динамике потока сейсмической энергии.

Рис. 4 Распределение потока сейсмической энергии (выс. отм. от +300 до +400 м), проекция на отм. +310 м

Fig. 4 Distribution of the seismic energy flow (elevations from +300 m to +400 m), projection at +310 m elevation

В 2019 г. (рис. 4, а) на отм. +310 м проводились интенсивные горные работы на участке размером примерно 250x250 м (добычные работы велись преимущественно на выс. отм. +400 м). Вблизи этого участка оконтурена сейсмически активная область, на которой значения потока сейсмической энергии достигают значений, соответствующих сейсмическим событиям энергетических классов K = 5–6. Максимальные значения тяготеют к месту интенсивного ведения горных работ со стороны висячего бока рудной залежи, этот участок осложнен наличием геологических разломов.

В 2020 г. (рис. 4, б) на отм. +310 м горные работы развивались от центра к флангам шахтного поля рудника. Торцевые взрывы проводились на отм. +400 м и большая часть – на отм. +375 м. Область максимальных значений потока сейсмической энергии расположена со стороны висячего бока рудной залежи вдоль границ очистного пространства, причем эта область растянута вдоль геологических разломов.

Максимальные значения соответствуют сейсмическим событиям энергетического класса K = 6. К 2021 г. (рис. 4, в) на отм. +310 м сформировался большой объем очистного пространства. Несмотря на увеличение интенсивности взрывного воздействия и продвижение работ на глубину (торцевые взрывы производились преимущественно на отм. +375 м, а также на отм. +400 м и отм. +350 м), уровень сейсмической активности на участке вблизи границ очистного пространства снизился. Энергия событий преимущественно K < 6, за исключением локального участка в зоне влияния тектонических нарушений. Отдельные зоны незначительного повышения сейсмической активности, как в предыдущие годы, по всей видимости, связаны с наличием геологических разломов, которые не отмечены на плане, однако они прослеживаются на вышележащих горизонтах.

В 2022 г. (рис. 4, г) на отм. +310 м продолжалось развитие горных работ: торцевые взрывы проводились преимущественно на отм. +375 м, +350 м, меньшее число – на отм. +400 м и отм. +325 м. Высокие значения потока сейсмической энергии по-прежнему остаются в висячем боку рудной залежи вдоль границы очистного пространства. Также наблюдается большое количество локальных участков, сейсмическую активность которых можно считать фоновой.

Представленный пример показывает миграцию сейсмоактивных зон при изменении геомеханического пространства на наиболее глубоком горизонте. На выс. отм. +300 м – +500 м, а именно на участках с повышенными значениями потока сейсмической энергии, по-видимому, происходило формирование зон деформаций сжатия. А в верхнем слое (выс. отм. +501 м – +600 м), где отработка уже завершается, области с повышенными значениями потока сейсмической энергии являются зонами деформаций растяжения: консольная часть массива горных пород, где происходит своевременное постепенное самообрушение раздробленных пород поверхностной толщи массива. Таким образом, карты распределения потока сейсмической энергии в пределах исследуемого района показывают неоднородность действующих напряжений, а интенсивность сейсмических проявлений отражает процессы трещинообразования, происходящие в массиве горных пород.

Реакция массива горных пород на взрывное воздействие

При разработке месторождений проводятся добычные и проходческие взрывы. Проведена оценка отклика массива горных пород на различные виды взрывного воздействия. Выявлены наиболее характерные для Расвумчоррского рудника примеры.

Рис. 5 Фрагменты карт распределения потока сейсмической энергии и местоположение добычных взрывов

Fig. 5 Details of the maps that show the seismic energy flow distribution and the locations of the production blasts

На рис. 5 представлены фрагменты карт распределения потока сейсмической энергии и местоположение технологических добычных взрывов. Видно, что отклик массива может быть различным. На рис. 5, а представлен пример отработки двух небольших участков, где проводилось взрывное воздействие, отклик массива сопоставим с фоновыми значениями, практически не представляющими опасность: энергетический класс событий К = 3–4.

На рис. 5, б показан участок, в котором выявлена аномалия, значения потока сейсмической энергии соответствует реализации сильных сейсмических событий энергетического класса К = 6. Причем аномальный участок расположен в прилегающем массиве.

На рис. 5, в показан фрагмент карты, включающий различные типы отклика массива горных пород: от минимального до возникновения аномалий в прилегающем массиве горных пород.

Таким образом, показано, что наибольшие значения потока сейсмической энергии в основном наблюдаются в массиве горных пород, прилегающем к границам участков интенсивного ведения горных работ, а не в центре этих участков. То есть при активном ведении взрывных работ происходит перераспределение напряжений в массиве таким образом, что часть массива разгружается вследствие взрывов и формирования трещиноватости, а в прилегающих частях массива могут происходить сильные сейсмические события. Местоположение таких аномальных зон характеризует отклик массива на взрывное воздействие и зависит от поля напряжений, которое формируют различные природно-техногенные факторы (тектонические напряжения, геологическое строение массива, конфигурация очистного пространства и выработок и др.).

Рис. 6 Фрагменты карт распределения потока сейсмической энергии и местоположение проходческих взрывов

Fig. 6 Details of the maps that show the seismic energy flow distribution and the locations of the development blasts

На рис. 6 показаны фрагменты карт распределения потока сейсмической энергии и местоположение проходческих взрывов. Как правило, на отдельных участках шахтного поля Расвумчоррского рудника, где осуществляется проходка выработок и не проводятся добычные работы, рост сейсмической активности происходит в пределах фоновых значений для условий рудника К = 3–4.

Заключение

В работе представлен анализ динамики потока сейсмической энергии при переходе горных работ на глубокие горизонты. Результаты анализа сейсмических данных позволили установить участки, где происходило изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород вследствие продвижения горных работ на глубокие горизонты за период 2018–2022 гг.

По данным сейсмического мониторинга при отработке месторождения все чаще отмечается проявление сильных сейсмических событий (энергетический класс К ≥ 6). Большая часть таких событий происходит вблизи границ очистных работ и в зоне влияния консоли налегающих пород, а также в зоне стыковки подземного Расвумчоррского рудника и карьера Центральный. Часть сейсмических событий провоцируется технологическими взрывами при подэтажной отбойке руды. Другой причиной является повышенная сезонная обводненность участков массива горных пород. Эти факторы выполняют роль триггер-эффекта. При этом интенсивность наведенной взрывами сейсмичности и ее последующий спад характеризуют напряженное состояние прилегающего участка массива.

Рост сейсмической активности на месторождениях также может быть связан с процессами образования трещин отрыва и скола в консоли налегающих пород и частичным обрушением пород консоли, вызванным перераспределением напряжений в висячем боку рудного тела при ведении очистных работ.

Сопоставление карт потока сейсмической энергии событий позволило выделить участки повышенного уровня распределения потока энергии по шахтному полю рудника по мере продвижения горных работ на глубину, а также их миграцию и динамику в течение рассматриваемого периода. Определены зоны деформаций сжатия – два нижних слоя, где ведутся интенсивные очистные работы, и зоны деформаций растяжения – третий, верхний слой: консольная часть массива горных пород, где происходит постепенное обрушение раздробленных пород приповерхностной области массива.

Список литературы

1. Батугин А.С. Общие закономерности проявления сильных горных ударов и индуцированных землетрясений на участках с предельно напряженным состоянием земной коры. Горный журнал. 2021;(1):22–27. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.04

2. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Фатеев А.В., Шевкунова Е.В., Подкорытова В.Г., Куприш О.В. Наведенная сейсмичность в угольных и железорудных районах Кузбасса. Российский сейсмологический журнал. 2020;2(3):88–96. https://doi.org/10.35540/2686-7907.2020.3.08

3. Еременко А.А., Мулев С.Н., Штирц В.А. Мониторинг геодинамических явлений микросейсмическим методом при освоении удароопасных месторождений. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2022;(1):12–22. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20220102

4. Жукова С.А., Журавлева О.Г., Онуприенко В.С., Стрешнев А.А. Особенности сейсмического режима массива горных пород при отработке удароопасных месторождений Хибинского массива. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(7):5–17. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_7_0_5

5. Foulger G.R., Wilson M.P., Gluyas J.G., Julian B.R., Davies R.J. Global review of human-induced earthquakes. Earth-Science Reviews. 2018;178:438–514. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.07.008

6. Keneti A., Sainsbury B. Review of published rockburst events and their contributing factors. Engineering Geology. 2018;246:361–373. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.10.005

7. Liu J.-P, Feng X.-T, Van Aswegen G., Blake W., Srinivasan C., Rao M. V. M. S., Zembaty Z. Case histories of rockbursts at metal mines. In: Feng X.-T. (ed.) Rockburst. Mechanisms, Monitoring, Warning, and Mitigation. Elsevier Inc.; 2018, chapter 2, pp. 47–92. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-805054-5.00003-2

8. Simser B.P. Rockburst management in Canadian hard rock mines. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019;11(5):1036–1043. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.07.005

9. Мельников Н.Н. (ред.) Сейсмичность при горных работах. Апатиты: КНЦ РАН; 2002. 325 с.

10. Козырев А.А., Батугин А.С., Жукова С.А. О влиянии обводненности массива на его сейсмическую активность при разработке апатитовых месторождений Хибин. Горный журнал. 2021;(1):31–36. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.06

11. Злобина Т.В., Дягилев Р.А. Апробация метода прогноза сейсмической активности для Верхнекамского месторождения калийных солей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(4):56–66. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_4_0_56

12. Гусева Т.В., Крупенникова И.С., Мокрова А.Н., Передерин В.П. Геодезический спутниковый мониторинг и сейсмическая активность северо-запада России. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016;13(5):133–141. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2016-13-5-133-141

13. Kozyrev A., Batugin A., Zuo J., Zhukova S. The impact of surface water seepage on seismicity and rockbursting in mines. Sustainability. 2022;14(22):15414. https://doi.org/10.3390/su142215414