2011/2010/2009/2008/2007/2006/2005

Геомеханика

На основе экспериментальных и аналитических исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) геологической среды в тектонически напряженных массивах выявлена трансформация вида напряженного состояния с увеличением глубины от гравитационно-тектонического к гидростатическому и далее до практически гравитационного, что необходимо учитывать при отработке месторождений на больших глубинах и оценке устойчивости бортов глубоких карьеров.

Прогнозные оценки изменения параметров НДС массива пород Ковдорского месторождения в окрестности карьерной выемки, выполненные методом численного моделирования с учётом данных натурных измерений, свидетельствуют о том, что начиная с глубины ориентировочно 1000 м характер НДС меняется. Если на глубине до 1000 м имеет место гравитационно-тектонический тип НДС, то начиная с глубины ориентировочно 1000 м вследствие значительного увеличения массы вышележащих пород гравитационная составляющая поля напряжений увеличивается и сначала сравнивается с горизонтальной составляющей, а затем, ориентировочно с глубины 1500 м, начинает превышать её, что будет оказывать определяющее влияние на параметры горных работ при достижении соответствующих глубин.

Переход от одного типа НДС к другому может происходить на разных глубинах в зависимости от абсолютной величины тектонической составляющей поля напряжений (рис. 1).         

Рисунок 1.
а) Зависимость глубины перехода гравитационно-тектонического типа НДС в гидростатический от величины действующих тектонических напряжений
б) Пример изменения типа НДС с глубиной для условий Ковдорского месторождения

В условиях гравитационно-тектонического типа НДС могут образовываться трещины отрыва в бортах карьера, связанные с действием растягивающих деформаций, обусловленных избыточными тектоническими напряжениями. При этом на больших глубинах (свыше 1000 м) в дне карьера существует вероятность появления трещин сдвига, которые в дальнейшем могут прорастать и соединяться с трещинами отрыва, что необходимо учитывать при оценке устойчивости бортов глубоких карьеров.

В качестве примера приведено прогнозное распределение площадок минимальной компоненты напряжений в окрестности борта Ковдорского карьера при заданной глубине 1000м и действии тектонических напряжений (рис. 2). Как видно, направление площадок  σmin меняется от субгоризонтальных у поверхности до субвертикальных на уровне дна карьера.

 

Рисунок 2 - Распределение площадок σmin в борту Ковдорского карьера при моделировании выемки глубиной 1000 м.

Впервые в горнорудной практике с целью прогноза горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений выявлены деформационные предвестники сильных сейсмических событий, заключающиеся в резком изменении величин наклонов и деформаций в недельный период, предшествующий сильному сейсмическому событию.

На основе показаний приборов длительного непрерывного контроля деформаций и наклонов геоструктурного блока выявлены стадии подготовки и реализации техногенного землетрясения с магнитудой 3.5:

– относительно длительный период подготовительной стадии;

– среднесрочный предвестник на заключительном периоде подготовки – недельный интервал, характеризующийся резким изменением скорости и направления процессов деформирования;

– афтершоковый период.

Гипоцентр техногенного землетрясения 21.10.2010 г. на Объединенном Кировском руднике ОАО «Апатит»

Данные деформационно-наклономерного комплекса в период подготовки и реализации техногенного землетрясения 21.10.2010

1 этап – период стабильности (22.07.2010 – 06.10.2010), 2 этап – подготовка землетрясения (06.10.2010 – 21.10.2010), 3 этап – афтершоковый период (с 21.10.2010), красный пунктир – момент начала развития устойчивых предвестников готовящегося сильного сейсмического события.

Разработана методика комплексной оценки сейсмической активности массива при одновременном анализе зарегистрированных событий по нескольким прогностическим критериям, отличающаяся объединением различных по физическому смыслу и дополняющих друг друга отдельных критериев путем приведения их значений к сравнимому виду, и выделением по значениям комплексной оценки четырех зон по степени сейсмоактивности (затухающая, устойчивая, пульсирующая, растущая), две последних из которых являются наиболее опасными.

Для совместного использования критериев, отражающих различные параметры потока сейсмической эмиссии, рассчитываются значения комплексной оценки в ячейке:

где N – количество отдельных прогностических критериев,  Xij – значение прогностического критерия. Таким образом, комплексная оценка ряда отдельных критериев позволяет учитывать поведение каждого из них. Применение комплексной оценки позволяет учесть поведение всех отдельных критериев и точнее оценить прогностические параметры сейсмического режима в пространственной ячейке, чем при использовании одного критерия.

На основании проведенных исследований была сделана классификация сейсмоактивных зон по типам их вероятного развития:

Тип зоны Диапазон значений комплексной оценки
Растущая 0.5 и более
Пульсирующая от 0.45 до 0.50
Устойчивая от 0.40 до 0.45
Затухающая менее 0.40

Установлено, что эволюционирующая сейсмоактивная зона может изменяться от одного типа к другому, т.е. можно выделять стадии подготовки сильного сейсмического события или серии событий, что является важным качеством и этапом прогноза.

На основании анализа динамики комплексной оценки и конфигурации сейсмоактивных зон можно определить периоды перехода участков массива пород в опасное или безопасное состояние: уменьшение значений комплексной оценки, как правило, свидетельствует о начале перехода участков массива горных пород в более безопасное состояние.

На основе исследований напряженно-деформированного состояния горных пород рудника «Умбозеро» сейсмодеформационными методами и методами математического моделирования установлено и объяснено явление резкой активизации сейсмических процессов при затоплении рудника, выражающееся в многократном возрастании числа сейсмических событий разного энергетического уровня.

При затоплении в 2009 году законсервированного рудника «Умбозеро» сейсмологическими наблюдениями на сейсмостанциях «Ловозеро» ГС РАН и «Апатиты» КРСЦ ГС РАН зарегистрировано резкое возрастание сейсмичности в массиве рудника: в июле-сентябре 2009 года произошло 17 сейсмических событий с магнитудой М=1.0-2.0 и более 100 событий меньшего энергетического уровня. Анализом последовательности затопления рудника установлено, что сейсмические события произошли в момент, когда вода затапливала очаги горно-тектонических ударов 1999 г. и 2004 г. с магнитудами соответственно М=4.3 и М=3.2, после которых образовалась плоскость разрыва между двумя отрабатываемыми на руднике залежами, выходящая на поверхность. Из сейсмологических исследований известно, что при землетрясениях снимается только часть напряжений, накопленных в массиве, а остальная часть остается, главным образом, у концов образовавшихся трещин.

Методами математического моделирования установлено, что после горно-тектонических ударов на руднике «Умбозеро» напряженное состояние массива в окрестности образовавшейся плоскости разрыва изменилась незначительно и основная часть напряжений осталась в массиве вблизи этой плоскости.

Причиной, вызвавшей серию сейсмических событий в массиве рудника «Умбозеро» в 2009 году, является смачивание водой плоскостей трещин, образовавшихся при горно-тектонических ударах. Смачивание водой плоскостей трещин ослабляет сцепление по ним. В высоко тектонически напряженном массиве, которым является массив рудника «Умбозеро», при смачивании водой и снижении сцепления по трещинам произошло проскальзывание по ним с сейсмическим эффектом. В результате напряжения разрядились и массив пришел в состояние геодинамического равновесия. В массиве рудника «Умбозеро» после 2009 года сильные сейсмические события (М>1) перестали происходить.
 

1  2  3  4  5  6  7