Современные подходы контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород по данным сейсмических наблюдений на Таштагольском железорудном месторождении

А.Г. Гаврилов¹, В.А. Штирц¹, Г.Д. Рукавишников^{2, 3
1} ЕВРАЗРУДА – филиал АО «ЕВРАЗ ЗСМК», г. Новокузнецк, Российская Федерация
² АО «ВНИМИ», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
³ Институт горного дела имени Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация
Горная Промышленность №3S / 2024 стр. 32-36

Резюме: В статье описан опыт использования современной системы сейсмического мониторинга для получения качественно нового типа данных – длительных непрерывных записей колебаний сейсмических датчиков. В отличие от классического метода использования систем сейсмического мониторинга, где полезной информацией являются короткие отрезки сигнала с записью группы упругих волн, новый подход предполагает анализ длительных временных отрезков, содержащих фоновые колебания сейсмических датчиков. Рассмотрен пример получения подобных записей датчиками системы сейсмического мониторинга «GITS», установленными в подземных выработках железорудного месторождения на большой глубине. Предлагается метод интерпретации таких данных путём специальной обработки полученных записей с опорой на теорию волн маятникового типа. Данный метод может быть использован как методологическая основа для оценки напряжённо-деформированного состояния массива горных пород.

Ключевые слова: сейсмическая активность, горные удары, напряжённо-деформированное состояние, сейсмические датчики, длительные записи, маятниковые волны, блочная среда

Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/

Для цитирования: 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

Информация о статье

Поступила в редакцию: 09.05.2024

Поступила после рецензирования: 18.06.2024

Принята к публикации: 28.06.2024

Информация об авторах

Гаврилов Алексей Григорьевич – главный инженер, ЕВРАЗРУДА – филиал АО «ЕВРАЗ ЗСМК», г. Новокузнецк, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Штирц Владимир Александрович – кандидат технических наук, заместитель главного инженера по горным ударам, ЕВРАЗРУДА – филиал АО «ЕВРАЗ ЗСМК», г. Новокузнецк, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Рукавишников Георгий Дмитриевич – заведующий центром геодинамического мониторинга, АО «ВНИМИ», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; инженер отдела экспериментальной геомеханики, Институт горного дела имени Н. А. Чинакала Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Организация сейсмического мониторинга при отработке твёрдых полезных ископаемых на больших глубинах стала неотъемлемой частью комплекса мер по прогнозу и предотвращению крупных динамических и газодинамических явлений [1; 2]. Классические представления о физике распространения сейсмических волн в породном массиве как в сплошной среде на долгое время определили направление развития систем сейсмического мониторинга глубоких шахт и рудников [3].

До сих пор главным образом внимание уделялось отрезкам записей сейсмических сигналов, содержащим продольные и поперечные волны. Именно эта часть данных позволяет получать информацию о локализации очагов сейсмических событий [4; 5]. Остальная часть данных о колебаниях сейсмических датчиков не попадает в память компьютера и практически не подвергается содержательному анализу. Развитие основ нелинейной сейсмики и соответствующего программного обеспечения в последние годы позволило начать использовать системы сейсмического мониторинга качественно иначе – для получения длительных непрерывных записей колебаний сейсмических датчиков, в которых носителем важной содержательной информации становятся их «фоновые» колебания.

До сих пор не существует общепринятых методик обработки таких данных с целью получения вывода о напряжённом состоянии породного массива. Широкие возможности для интерпретации длительных записей возникают, если опираться на теоретические и экспериментальные результаты, полученные в нелинейной геомеханике, активно развивающейся в наши дни коллективом учёных и специалистов из России и Китая [6; 7].

В данной статье описан опыт получения и геомеханической интерпретации длительных сейсмических записей в условиях Таштагольского железорудного месторождения.

Сейсмические наблюдения

на Таштагольском железорудном месторождении Месторождение отрабатывается горнорудным филиалом АО «ЕВРАЗ Объединённый Западно-Сибирский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ ЗСМК»).

Глубина ведения горных работ и наличие пород, склонных к хрупкому разрушению, являются наиболее неблагоприятными факторами эксплуатации, связанными с повышенным горным давлением при отработке месторождения. За период эксплуатации Таштагольского месторождения зарегистрировано большое количество проявлений горного давления в динамической форме, выразившееся в форме горных, горно-тектонических ударов, микроударов, толчков и внешних признаков проявления горного давления. Геодинамические явления горного давления в форме стреляния отмечаются с глубины 300 м, а с глубины 600 м имели место горные удары различной интенсивности.

В настоящее время горные работы на месторождении ведутся на глубинах от 400 до 1000 м от поверхности, очистные работы ведутся на глубинах от 500 до 800 м от поверхности.

Сейсмические наблюдения на Таштагольском железорудном месторождении ведутся с восьмидесятых годов прошлого века, с течением времени регистрирующая аппаратура совершенствовалась, но методы работы и цель наблюдений сохранялись – рассчитать координаты и оценить энергию зарегистрированных сейсмособытий, сформировать базу данных.

В 2022 г. на Таштагольской шахте была введена в режим промышленной эксплуатации ССМ «GITS» (разработанная и изготовленная в АО «ВНИМИ»). Новая система вместе с программным обеспечением является основной в системе сейсмических наблюдений на месторождении. В качестве дополнительных используются сейсморегистратор сети Алтае-Саянского филиала ЕГС РАН «Байкал 8.2» и аппаратура «РЕЛОС».

Рис. 1 Схема установки датчика

Fig. 1 Sensor installation scheme

В условиях Таштагольского железорудного месторождения датчики системы установлены в специальных нишах на бетонных постаментах (рис. 1), сориентированы по сторонам света и настроены на регистрацию колебаний в трёх ортогональных осях в диапазоне 0,5–100 Гц.

Организация непрерывных длительных записей сейсмического сигнала

В режим непрерывной записи колебаний был переведён датчик №27, расположенный в горной выработке на глубине около 900 м.

Для первичного анализа сейсмических записей длительностью 24 ч удобно рассматривать не сам сигнал, а определённую функцию, отражающую изменения в спектре фоновых колебаний, например, сканирующую функцию K, значение которой рассчитывается по формуле:

(1)

где А – амплитуда частоты fi в рассчитанном спектре сигнала; K – значение сканирующей функции; f1–f2 – сканируемый диапазон частот; f3–f4 – частотный диапазон всей полосы регистрации колебаний.

Таким образом, функция K принимает значения от 0 до 1 и отражает «вклад» сканируемого диапазона частот в полный спектр колебаний сейсмического датчика.

Рис. 2 Суточная непрерывная запись колебаний и график параметра K за 12.12.2022

Fig. 2 The daily continuous record of oscillations and a plot of the K parameter on 12.12.2022

На рис. 2 представлена суточная запись колебаний датчика №27 и график сканирующей функции для диапазона частот 5–20 Гц. Как видно, значение функции K непостоянно в течение суток. Особый интерес представляет временной промежуток 0:00:00 – 1:30:00, когда горные работы останавливаются для проведения в 0:30:00 технологических взрывов и последующего проветривания шахты [8]. В это время датчик находится «в тишине», так как отсутствуют механические шумы от шахтного транспорта, процессов бурения и др.

Более детально поведение сканирующей функции K рассматривалось для датчика №27 во временном промежутке 0:25:00 – 0:40:00 (UTC ± 0) после проведения технологического взрыва 11.05.2023 с массой заряда порядка 1000 кг на расстоянии 950 м от места установки датчика. На рис. 3 показан план горных выработок с указанием мест взрыва и расположения датчика.

Рис. 3 План горных выработок горизонта –280 м Таштагольского железорудного месторождения с указанием места проведения технологического взрыва 11.05.2023 и места установки сейсмодатчика

Fig. 3 A plan of mine workings at -280 m level of the Tashtagolsky iron ore deposit with indication of the process blast location on 11.05.2023 and the location of the seismic sensor

Далее на рис. 4 приводятся графики сканирующей функции K, рассчитанные по непрерывной записи компоненты X датчика №27 во временном интервале 0:25:00 – 0:40:00 11.05.2023 (UTC ± 0) для различных диапазонов частот. На графиках красной линией отмечено время технологического взрыва.

Рис. 4 Графики значений сканирующей функции K для диапазонов частот: а – 5–10 Гц; б – 10–15 Гц; в – 15–20 Гц; г – 20–25 Гц; д – 25–30 Гц; е – 30–40 Гц

Fig. 4 Plots of the scanning K function values for the following frequency ranges: а – 5–10 Hz; б – 10–15 Hz; в – 15–20 Hz; г – 20–25 Hz; д – 25–30 Hz; е – 30–40 Hz

Интерпретация данных

Объяснение наблюдаемого эффекта даёт сформированная в ИГД СО РАН теория волн маятникового типа, в которой горные породы представляются многоуровневой дискретной средой, а обычные сейсмические волны сопровождаются процессом распространения энергии упругой деформации посредством взаимодействия отдельных блоков, имеющих собственные колебательные степени свободы.

Феноменологические основы теории волн маятникового типа и экспериментальное доказательство отмеченных закономерностей подробно изложены в [9–12]. Коллективом учёных ИГД СО РАН был проведён ряд натурных и лабораторных экспериментов по распространению колебаний в блочно-устроенных средах. Была предложена формула скорости маятниковой волны, в простейшем одномерном случае имеющая следующий вид:

, (2)

где v(σ) – структурно-иерархический параметр, характеризующий меру подвижности геоблоков – носителей маятниковой волны, зависящий от величины раскрытия межблоковых трещин и значений действующих в массиве напряжений; v_p – скорость распространения продольной сейсмической волны внутри геоблоков – носителей маятниковой волны; v_ε – средняя (по модулю) скорость относительного трансляционного движения геоблоков при распространении маятниковой волны.

При этом основная несущая частота μ-волн отражает период собственных колебаний структурных элементов массива как «абсолютно» твёрдых тел и связана с линейным размером блоков породного массива следующим соотношением:

, (3)

где L – линейный размер блока; V_p – скорость распространения продольных волн в блоке; f_μ – несущая частота. Из приведённых выше формул следует, что динамико-кинематические характеристики волн маятникового типа напрямую связаны с напряжённо-деформированным состоянием массива горных пород, а также с его блочно-иерархическим строением.

Интерпретация данных, представленных на рис. 3, с опорой на теорию волн маятникового типа позволяет сделать следующие выводы:

Внезапный рост значений функции K для сканируемого (по формуле (1)) диапазона частот будет соответствовать возникновению квазирезонансов в соответствующих по размеру (по формуле (3)) геоблоках. По графикам на рис. 3 наблюдается возникновение квазирезонансов в диапазоне частот 10–15 Гц, следовательно, с учётом средней скорости продольных волн в горных породах месторождения линейный размер блока – носителя маятниковой волны составляет 200–300 м.

Временная задержка между моментом взрыва и возникновением квазирезонансов в сканируемом диапазоне частот позволяет рассчитать «кажущуюся» скорость распространения маятниковой волны для соответствующего размера геоблоков. В диапазоне частот 10–15 Гц первый всплеск значений параметра K наблюдается через 50 с. С учётом расстояния между местом установки датчика и местом взрыва 950 м скорость распространения маятниковой волны составила 19 м/с.

Заключение

В работе описан метод получения и обработки качественно нового типа данных о колебательных процессах, протекающих в породном массиве в процессе ведения горных работ на большой глубине.

Расчёт сканирующей функции по данным непрерывной записи колебаний позволил обнаружить изменение спектрального состава фоновых колебаний в течение длительного времени после взрывного воздействия на породный массив. Установлено, что после затухания группы упругих волн до уровня фоновых колебаний через определённый промежуток времени возникают квазирезонансы в определённых частотных диапазонах.

По временным задержкам возникновения таких квазирезонансов даны оценка линейных размеров «работающих» блоков-носителей и кажущаяся скорость распространения волн маятникового типа.

Систематические наблюдения за параметрами возникающих квазирезонансов позволят производить оценку напряжённого состояния массива. Предстоит работа по накоплению статистики и взаимосвязи между оценкой напряженно-деформированного состояния классическими методами и данными непрерывных записей.

Наблюдаемые процессы существуют на разных масштабных уровнях структурной организации породного массива. Предложенный метод получения и анализа сейсмических данных также будет полезен в установлении связей между региональными землетрясениями и локальными геодинамическими и газодинамическими явлениями [13; 14] в пределах шахтных полей.

Список литературы

1. 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

2. 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 Eremenko A.A., Mulev S.N., Shtirts V.A. Microseismic monitoring of geodynamic phenomena in rockburst-hazardous mining conditions. Journal of Mining Science. 2022;58(1):10–19.

3. Mendecki A.J., Lynch R.A., Malovichko D.A. Routine micro-seismic monitoring in mines. 2010. 33 p. Available at: https://www.researchgate.net/publication/268439633_Routine_Micro-Seismic_Monitoring_in_Mines (accessed: 28.05.2024).

4. Мулев С.Н., Рукавишников Г.Д., Мороз Д.И., Пашкова В.И., Мороз Н.Е. Мониторинг напряженного состояния сейсмическими и расчётными методами на шахтах АО «Воркутауголь». Уголь. 2022;(12):88–93. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2022-12-88-93 Mulev S.N., Rukavishnikov G.D., Moroz D.I., Pashkova V.I., Moroz N.E. Monitoring of the stress state by seismic and numerical methods at the mines of JSC “Vorkutaugol”. Ugol’. 2022;(12):88–93. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2022-12-88-93

5. Разумов Е.Е., Простов С.М., Мулёв С.Н., Рукавишников Г.Д. Алгоритмы обработки сейсмической информации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(2):17–29. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_2_0_17 Razumov E.E., Prostov S.M., Mulev S.N., Rukavishnikov G.D. Seismic information processing algorithms. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(2):17–29. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_2_0_17

6. Опарин В.Н., Адушкин В.В., Востриков В.И., Усольцева О.М., Мулев С.Н., Юшкин В.Ф. и др. Развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геотомографии. Часть I: формулировка и обоснование задачи исследований. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(1):5–25. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-01-0-5-25 Oparin V.N., Adushkin V.V., Vostrikov V.I, Usol'tseva O.M., Mulev S.N., Yushkin V.F. et al. An experimental and theoretical framework of nonlinear geotomography. Part I: Research problem statement and justification. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(1):5–25. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-01-0-5-25

7. Wang K., Dou L., Pan Y., Kiryaeva T.A. Study of tunnel roof anti-impact and energy absorption effect on block overburden rock mass failure. Zhongguo Kuangye Daxue Xuebao / Journal of China University of Mining and Technology. 2017;46(6):1212– 1217.

8. Штирц В.А., Колтышев В.Н. Отработка блоков и распределение толчков после массовых взрывов в условиях Таштагольского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(11):41–46. Shtirts V.A., Koltyshev V.N. Development blocks and the distribution of aftershocks after massive explosions in the conditions of the Tashtagol deposit. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(11):41–46. (In Russ.)

9. Курленя М.В., Опарин В.Н. О явлении знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1990;(4):3–13. Kurlenya M.V., Oparin V.N. On the phenomenon of skew symmetric response of rocks to dynamic impacts. FizikoTekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh. 1990;(4):3–13. (In Russ.)

10. Kurlenya M.V., Oparin V.N., Vostrikov V.I. Anomalously low friction in block media. Journal of Mining Science. 1997;33(1): 1–11. https://doi.org/10.1007/BF02765421

11. Опарин В.Н., Танайно А.С. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении. Новосибирск: Наука; 2011.258 с.

12. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия – к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. ΙΙΙ. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014;(4):10–38. Adushkin V.V., Oparin V.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part III. Journal of Mining Science. 2014;50(4):623–645. https://doi.org/10.1134/S1062739114040024

13. Опарин В.Н., Адушкин В.В., Киряева Т.А., Потапов В.П., Черепов А.А., Тюхрин В.Г., Глумов А.В. О влиянии волн маятникового типа от землетрясений на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018;(1):3–15. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20180101 Oparin V.N., Adushkin V.V., Kiryaeva T.A., Potapov V.P., Cherepov A.A., Tyukhrin V.G., Glumov A.V. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass. Journal of Mining Science. 2018;54(1):3–12. https://doi.org/10.1134/S1062739118013269

14. Киряева Т.А., Рукавишников Г.Д. О влиянии землетрясений и мощных технологических взрывов на газодинамическую активность угольных шахт. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021;(2):385–395. Kiryaeva T.A., Rukavishnikov G.D. On the influence of earthquakes and powerful technological explosions on the gasdynamic activity of coal mines. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2021;(2):385–395. (In Russ.)