Сейсмический мониторинг и оценка геодинамических процессов при ведении горных работ в условиях подземного рудника «Интернациональный»

А.А. Вьюнников¹, Н.В. Хоютанова¹, К.В. Романевич^{2, 3} , С.Ф. Панин², Е.Е. Разумов^2
1 Мирнинский горно-обогатительный комбинат АК «АЛРОСА», г. Мирный, 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. 26-31

Резюме: В статье рассматривается система сейсмического мониторинга GITS (разработка ВНИМИ), выполняющая непрерывный контроль сейсмоактивности и региональный прогноз удароопасности в пределах горного отвода подземного рудника «Интернациональный» с апреля 2022 г. в режиме промышленной эксплуатации. Представлена методика проведения наблюдений, даны результаты анализа получаемых данных в части энергетических и пространственных характеристик сейсмических событий. Предложено решение задачи по определению скоростных характеристик вмещающего массива для верхней и нижней части рудника с использованием информации о параметрах сейсмособытий, получаемых системой GITS, дана предварительная оценка скоростных характеристик горного массива. Полученные на текущем этапе исследований данные для двух ограниченных областей могут быть применены для оценки состояния и поведения массива в долгосрочной перспективе. В дальнейшем для целей мониторинга такие наблюдения могут быть разделены по сети локального прогноза, настроенной на мелкие события, и региональной сети контроля сейсмоактивности по всему руднику, настроенной на регистрацию крупных (от 500 Дж) событий, включая региональные землетрясения.

Ключевые слова: сейсмический мониторинг, рудник Интернациональный, геодинамика, напряженно-деформированное состояние массива, энергия сейсмособытия, скоростная характеристика вмещающего массива

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

Для цитирования: 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

Информация о статье

Поступила в редакцию: 21.05.2024

Поступила после рецензирования: 18.06.2024

Принята к публикации: 28.06.2024

Информация об авторах

Вьюнников Александр Анатольевич – заместитель главного инженера – руководитель службы прогноза и предотвращения динамических явлений рудника «Интернациональный», Мирнинский горно-обогатительный комбинат АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Хоютанова Наталья Владимировна – геофизик службы прогноза и предотвращения динамических явлений рудника «Интернациональный», Мирнинский горно-обогатительный комбинат АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Романевич Кирилл Викторович – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, АО «ВНИМИ», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; научный сотрудник, 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.

Панин Сергей Федорович – заведующий кузбасским территориальным сектором, АО «ВНИМИ», г. Кемерово, Российская Федерация

Разумов Егор Евгеньевич – старший научный сотрудник, АО «ВНИМИ», г. Прокопьевск, Российская Федерация

Введение

Сейсмический мониторинг является одним из основных направлений в комплексе исследований, способствующих повышению безопасности и эффективности подземных горных работ [1–4]. Наиболее востребован данный вид мониторинга на рудниках и угольных шахтах, ведущих горные работы на больших глубинах, в особо сложных геомеханических условиях, с повышенной степенью рисков по проявлению горных ударов и выбросов [5; 6].

Основываясь на регистрации сейсмических колебаний, возникающих в массиве горных пород в результате его хрупкого разрушения под действием повышенных напряжений от горного и (или) газового давления, сейсмический мониторинг позволяет контролировать динамику изменений прочностных характеристик в горном массиве. По результатам обработки регистрируемых сейсмических событий оцениваются кинематические и динамические показатели процессов разрушения: положение сейсмоактивных зон в пространстве, выделившаяся сейсмическая энергия, неупругая деформация в очаговой области. На основе анализа динамики сейсмического режима, формирующегося в границах горного отвода шахты или рудника, сейсмический мониторинг предоставляет достаточно полную объективную информацию о происходящих в горном массиве геомеханических процессах с возможностью их прогнозирования.

На подземном руднике «Интернациональный» (рис. 1) установлена система сейсмомониторинга GITS разработки АО ВНИМИ.

 Рис. 1 Каркасные модели руды и карьера с осевыми 3D-линиями подземных горных выработок рудника «Интернациональный», разведанные запасы до глубины 1650 м Источник: 3D моделирование. Режим доступа: https://ynalrosa.ru/projects/3dmodelirovanie/ karkasnye-modeli-rudy-ikarera- s-osevymi-3d-liniyami-podzemnykhgornykh- vyrabotok-rudnika-internatsi/ (дата обращения: 25.06.2024)

Fig. 1 Wireframe models of the ore and the open pit with axial 3D lines of underground mine workings of the International mine, explored reserves down to the depth of 1650 metres Source: 3D modelling. Available at: https://ynalrosa.ru/projects/3dmodelirovanie/ karkasnye-modeli-rudy-ikarera- s-osevymi-3d-liniyamipodzemnykh- gornykh-vyrabotokrudnika- internatsi/ (accessed: 25.06.2024)

В настоящее время рудник «Интернациональный» отрабатывает кимберлитовую трубку эллипсовидной формы размером 100×60 м и ведет проходческие работы на абс. отм. –940 м (глубина работ 1340 м от земной поверхности). Рудное тело вертикального расположения находится в толще доломитов с моноклинальным пологим залеганием с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова в пределах 5–6.

В последние несколько лет при переходе на глубины повышенной природной газообильности вмещающих пород на руднике «Интернациональный» при ведении горноподготовительных работ в породных массивах стали происходить динамические явления в виде внезапных и инициированных (буровзрывными работами) выбросов породы и газа [7]. Учитывая характер их проявлений (внезапность и большую интенсивность), они представляют серьезную опасность для работников рудника, нарушают установленную технологию ведения горных работ и зачастую приводят к изменению параметров проводимых горных выработок. Простои и ликвидация последствий выбросов породы и газа на руднике расходуют значительные экономические и материальные ресурсы.

Для контроля за динамическими явлениями, установления условий и факторов возникновения, характера их проявлений с учётом склонности горных пород рудника «Интернациональный» к выбросам и горным ударам с 2021 г. запущена в эксплуатацию система горного сейсмического мониторинга GITS (с апреля 2022 г. в режиме промышленной эксплуатации).

Система GITS предназначена для непрерывного сейсмического мониторинга породного массива и прогноза динамических явлений, связанных как с проводимыми горными работами, так и с возможными сдвижениями тектонических блоков по геодинамически активным структурам. Не менее значимой целью является мониторинг и вспомогательный контроль устойчивости предохранительного целика (в дополнение к существующей системе геомеханического мониторинга) в районе подмерзлотного надсолевого метегероичерского водоносного комплекса (МИВК).

Методика проведения наблюдений

Система GITS организуется посредством размещения на горном отводе сети сейсмических павильонов, их функционирование обеспечивает непрерывные сейсмические наблюдения за динамикой сейсмической активности при изменении горно-геологической ситуации на территории горного отвода рудника и сопредельных территорий в результате ведения проходческих и добычных работ. Расстановка станций организована таким образом, чтобы обеспечить трёхмерное окружение контролируемых участков, оценка устойчивости которых является приоритетной задачей. Для достижения этого сейсмоприемники размещаются как на верхних, так и на нижних горизонтах в скважинах глубиной до 5 м, пробуренных в бортах выработок. Расстояние между сейсмоприемниками составляет от 100 до 500 м, при этом наблюдениями охватывается объем пород с максимальным поперечным размером 2000 м. На рис. 2 показана конфигурация расстановок сейсмических павильонов сети сейсмомониторинга, развернутой на руднике «Интернациональный». Посредством принятой расстановки пунктов наблюдений обеспечивается высокая разрешающая способность регистрации сейсмических событий как в верхней части, так и на нижних горизонтах рудника.

Рис. 2 План-схема расстановки сети сейсмических павильонов системы GITS на руднике «Интернациональный». Синими треугольниками обозначено местоположение сейсмопавильонов. Окно программы GITS-2

Fig. 2 A layout map of the GITS seismic stations in the International mine Blue triangles indicate the location of the seismic stations. Graphical user interface of the GITS-2 Software Suite

Функционирование системы GITS осуществляется непрерывно круглосуточно. Расчет и передача информации по сейсмическим событиям, их кинематические и динамические параметры, выполняются в режиме реального времени.

На основании расчетных показателей сейсмических событий проводится анализ сейсмической обстановки, формирующейся на руднике в течение месяца/квартала/ года. На основе результатов анализа прогностических параметров (критериям) выявляются потенциально опасные зоны по геодинамической активности.

По данным наблюдений тектонические нарушения, разломы в пределах горного отвода не являются активными по динамическим подвижкам. В течение всего срока отработки не происходило динамических проявлений горного давления в выработках, попадающих в зону влияния как разломов, так и отработанного пространства. Таким образом, сейчас осуществляется наработка прогностических параметров (при высокой сейсмической активности на это требуется до полугода, а при низкой сейсмической активности временной интервал, при котором могут быть определены достоверные прогностические параметры, может продлиться до 1,5–2 лет и более).

Система GITS в представленном на руднике «Интернациональный» конструктивном исполнении позволяет осуществлять следующие виды прогноза динамических явлений (ДЯ): региональный и локальный.

Региональный прогноз ДЯ проводится путем сбора информации со всех сейсмических станций, развернутых на территории рудника. По результатам регионального прогноза выявляются зоны активизации сейсмических процессов, формирующиеся в масштабе всего шахтного поля. С учетом поставляемой от технических служб рудника горно-геологической и горнотехнической информации формируется каталог сейсмических событий, на основании которого проводится дальнейшая интерпретация сейсмической активности, дается представление о динамике и характере ее миграции в связи с интенсивностью как технологических, так природных процессов.

Локальный прогноз ДЯ массива горных пород осуществляется системой GITS для уточнения степени рисков проявления ДЯ на участках с повышенной сейсмической активностью, выявленных по результатам регионального прогноза. Прогноз и оценка напряженно-деформированного состояния отдельных участков массива горных пород выполняются с помощью портативных приборов типа СБ-32М «Сапфир», ANGEL-M, Prognoz-L и их аналогов. Не исключается применение и традиционного метода оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород по дискованию керна [8]. На основе комплекса данных ВНИМИ разрабатываются новые методики прогнозирования динамических событий в условиях рудника [9].

Энергия сейсмических событий

Для оценки геодинамической ситуации в пределах горного отвода рудника выполняется анализ данных, полученных в ходе промышленной эксплуатации системы сейсмического мониторинга GITS. На рис. 3 приведены сейсмособытия за период наблюдений 2 года.

Рис. 3 Зарегистрированные сейсмособытия за период 2 года в пределах горного отвода рудника

Fig. 3 Recorded seismic events for a period of 2 years within the mine's mining allotment

За весь период наблюдений системой сейсмомониторинга было зарегистрировано 45 природных сейсмических событий, их энергия составляла от 1,2 до 115,3 Дж. Также было зарегистрировано несколько крупных региональных землетрясений с энергиями 5,5–111,5 кДж. Проведенный расчет амплитуд сигналов в пересчете на массовые ускорения позволил оценить сейсмический эффект от пришедшей поверхностной волны на горные выработки рудника. По полученным данным амплитуды массовых ускорений не превышали 3,5 см/с2, что соответствовало 3 баллам по шкале МSK 64. При таких колебаниях вероятность негативных проявлений в горных выработках крайне маловероятна. Однако при определенных горно-геологических условиях, обусловленных наличием зон повышенной трещиноватости, тектонических нарушений, узлов пересечения геодинамически активных структур, в кровле и по бортам выработок могут отмечаться незначительные сдвиговые деформации слоев, отслоения материала закладки и другие смещения.

Таким образом, система GITS позволяет регистрировать сейсмособытия в весьма широком энергетическом диапазоне, в качестве примера можно привести следующее: 6 марта 2024 г. системой GITS было зарегистрировано сейсмическое событие, которое в силу специфических свойств идентифицировалось как динамическое явление с энергией, не превышающей 2 Дж. Анализ первых вступлений P волны на сейсмограммах от датчиков, зарегистрировавших событие, позволил предположить, что механизм его очага обусловлен деформацией типа «сброс-сдвиг». Низкие энергетические параметры свидетельствовали о крайне малых линейных размерах очага (1–2 мм). На основании представленных данных был сделан вывод, что событие было обусловлено естественными слабыми процессами деформирования горных пород, происходивших в районе охранного целика. В настоящее время эти процессы не оказывают негативного влияния на устойчивость предохранительного целика, а в целом крайне низкая сейсмическая активность позволяет охарактеризовать сейсмическую обстановку в границах горного отвода рудника как весьма спокойную.

Координаты сейсмических событий

Для правильной интерпретации результатов сейсмического мониторинга крайне важно знание места возникновения сейсмического события. Существует целый ряд методов определения координат очагов сейсмических событий (SPAM, PSO, OcTree, Сетка, Master-Event, Joint Hypocenter Location и др.). Многие из них включены в алгоритмы системы GITS [10]. На рис. 4 показано окно визуализации гипоцентров сейсмособытий за период с января по март 2024 г. с учетом значений их энергии в программном комплексе GITS-2.

Рис. 4 Визуализация гипоцентров сейсмособытий за период января по март 2024 г. с учетом значений их энергии. План и разрез. Окно программы GITS-2

Fig. 4 Visualisation of seismic event hypocentres for the period from January to March 2024 with their energy values. Plane view and cross-section. Graphical user interface of the GITS-2 Software Suite

Скорость прохождения сейсмических волн

Знание скоростей прохождения сейсмических волн в массиве облегчает задачу по расчету фактического положения источника сейсмособытия. При правильно рассчитанной скорости снижается погрешность определения координат события, увеличивается точность и достоверность положения очага. Существенно возрастает представительность получаемой информации при построении прогнозных зон, истинное положение которых относительно района ведения горных работ в первую очередь зависит от правильно подобранного годографа сейсмических волн.

В ходе научно-исследовательской работы для решения задачи по определению скоростных характеристик вмещающего массива в нем были выделены две ограниченные области: верхняя и нижняя. Положение первой области задавалось отметками от 100 до –160 по оси Z. Вторая область была ограничена отметками от –800 до –∞ по оси Z.

Произведенные в верхней ограниченной области технологические взрывы использовались для определения скоростей между датчиками, расположенными глубже (на горизонтах –550 – –780 м) (рис. 5, а). Выделенные в нижней ограниченной области технологические взрывы использовались для определения скоростей между датчиками, расположенными на горизонтах –400 – 86 м (рис. 5, б). Таким образом, от технологических взрывов в верхней части массива определялась скорость продольных между парами датчиков: ДР6-ДР7, ДР6-ДР8, ДР6-ДР9 и ДР6-ДР10, а от технологических взрывов в нижней части массива – между парами датчиков: ДР6-ДР1, ДР6-ДЛ2, ДР6-ДЛ3, ДР6-ДЛ4 и ДР6-ДЛ5. Для части взрывов невозможно было определить скорости продольных волн из-за отсутствия или неопределенности первых вступлений на соответствующих датчиках.

 Рис. 5 Расположение датчиков системы GITS с нанесенными координатами технологических взрывов в верхней (а) и нижней (б) ограниченной области, лучами показаны направления, в которых определялись скорости между парами датчиков для каждого взрыва. Красные точки – технологические взрывы, синие ромбики – сейсмопавильоны системы GITS

Fig. 5 Location of the GITS sensors with plotted coordinates of the process blasts in the upper (а) and lower (б) confined area, the rays show the directions in which the velocities were defined between pairs of sensors for each blast. Red dots are the process blasts, blue diamonds are the GITS seismic stations

Пример визуализации полученных значений скорости продольных волн между парами датчиков системы GITS от технологических взрывов, произведенных в ограниченной области, показан на рис. 6.

 Рис. 6 Графики скоростей продольных волн между парами датчиков системы GITS от технологических взрывов, произведенных в нижней ограниченной области

Fig. 6 Plots of the longitudinal wave velocities between pairs of the GITS system sensors due to the process blasts performed in the lower confined area

Основные статистические данные по скоростям продольных волн между парами датчиков GITS от технологических взрывов, произведенных в верхней и нижней ограниченной области, показаны ниже.

Для нижней ограниченной области: среднее значение скорости продольных волн равно 5148 м/с. Стандартное отклонение составляет 405 м/с, что указывает на относительную стабильность скорости волн в данной области. Медиана скорости продольных волн равна 5115 м/с. Для верхней ограниченной области: среднее значение скорости продольных волн составляет 4368 м/с. Стандартное отклонение равно 695 м/с, что указывает на приемлемую изменчивость скорости волн относительно их среднего значения. Медиана скорости продольных волн равна 4482 м/с.

Параметры, полученные на данном этапе для верхней и нижней ограниченных областей, могут быть базовыми (исходными) значениями для проведения мониторинга скоростей продольных волн, проходящих через верхнюю и нижнюю часть массива (для оценки состояния и поведения массива в долгосрочной перспективе). Эти данные предоставляют информацию о типичных и возможных колебаниях скорости волн, что позволяет оценить изменения и выявить аномалии при последующих наблюдениях.

Выводы

В условиях подземного рудника «Интернациональный» система сейсмического мониторинга GITS успешно выполняет функцию непрерывной, автоматизированной регистрации сейсмических событий (природных и техногенных) в широком динамическом диапазоне. Оптимальная настройка основных рабочих параметров сейсмических каналов, а также локализация сейсмопавильонов вокруг контролируемых участков позволяют регистрировать в них самые слабые события, расчетное значение сейсмической энергии которых составляет не более 1,5 Дж. Места установки сейсмоприемников выбраны таким образом, чтобы минимизировать уровень технологических шумов – представленная конфигурация сети позволила применять технические настройки, наиболее удобные для представительной регистрации сейсмических событий с минимальными пороговыми ограничениями по каждому сейсмическому каналу.

Благодаря незначительным геометрическим размерам шахтного поля расстановка сейсмической сети позволила создать контур из сейсмопавильонов вокруг наиболее проблемных участков, в том числе в зоне контроля предохранительного целика для мониторинга деформаций на ранних стадиях и в зоне ведения проходческих и очистных работ на нижних горизонтах рудника.

С использованием получаемой системой GITS информации о параметрах сейсмособытий (природных и техногенных в результате горных работ) выполняется решение задачи по определению скоростных характеристик вмещающего массива. Полученные на текущем этапе исследований данные для двух ограниченных областей могут быть применены для оценки состояния и поведения массива в долгосрочной перспективе. В дальнейшем для целей мониторинга такие наблюдения могут быть разделены по сети локального прогноза, настроенной на мелкие события, и региональной сети контроля сейсмоактивности по всему руднику, настроенной на регистрацию крупных (от 500 Дж) событий, включая региональные землетрясения.

Список литературы

1. Рассказов И.Ю., Гладырь А.В., Кателла Е.А., Мирошников В.И. Разработка многоуровневой системы комплексного геодинамического мониторинга, удароопасного массива горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(9):113–120. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2014/09/19_113-120_Rasskazov.pdf (дата обращения: 12.06.2024). Rasskazov I.Yu., Gladyr A.V., Katella E.A., Miroshnikov V.I. Development of the complex geodynamic multilevel system for burst–hazard rock mass monitoring. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2014;(9):113–120. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2014/09/19_113-120_Rasskazov.pdf (accessed: 12.06.2024).

2. Zhang M., Liu S., Chen S., Chen Y., Xu G., Qian D. Focus energy determination of mining microseisms using residual seismic wave attenuation in deep coal mining. Shock and Vibration. 2018:3854329. https://doi.org/10.1155/2018/3854329

3. 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

4. Разумов Е.Е., Рукавишников Г.Д., Мулёв С.Н., Простов С. М. Основные принципы построения систем сейсмического мониторинга при отработке удароопасных угольных пластов. Горный журнал. 2021;(1):8–12. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.02 Razumov E.E., Rukavishnikov G.D., Mulev S.N., Prostov S.M. Basic principles for building seismic monitoring systems in rockburst-hazardous coal seam mining. Gornyi Zhurnal. 2021;(1):8–12. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2021.01.02

5. Разумов Е.Е., Рукавишников Г.Д., Мулёв С.Н., Простов С.М. Анализ сейсмической активности массива при ведении 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

6. Разумов Е.Е., Простов С.М., Петрова О.А. Экспериментально-аналитическое исследование динамики геомеханических процессов при отработке угольного пласта в районе тектонического нарушения. Горный информационноаналитический бюллетень. 2024;(3):102–118. Razumov E.E., Prostov S.M., Petrova O.A. Experimental and analytical investigation of geomechanical dynamics of coal mining near tectonic faults. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(3):102–118.

7. 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

8. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. 2-е изд. Л.: Недра; 1989. 488 с. Режим доступа: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-osnovy-mehaniki-gornyh-porod.pdf (дата обращения: 12.06.2024).

9. Романевич К.В., Мулев С.Н. Использование машинного обучения и нейронных сетей в задачах классификации геодинамических процессов по электромагнитному излучению горных пород и данным сейсмомониторинга. В кн.: Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы 16-й Междунар. науч. шк. молодых ученых и специалистов, г. Москва, 23–27 окт. 2023 г. М.: ИПКОН РАН; 2023. C. 249–252.

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