Физика Земли, 2023, № 3, стр. 168-178

ВВЕДЕНИЕ

Хибинский массив, представляющий собой в геологическом отношении многофазную щелочную интрузию центрально типа, является тектонически напряженным массивом горных пород, при этом в массиве наблюдается явление превышения горизонтальными напряжениями вертикальных. Добыча полезных ископаемых в условиях высоконапряженного скального массива, осуществляемая в Хибинской ПТС системой подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды, неизбежно приводит к возникновению техногенной сейсмичности [Адушкин, 2016]. Сейсмоактивность массива горных пород в шахтных полях рудников есть явление динамического разрушения предельно напряженных участков массива. Сейсмоактивность тесно связана со структурными особенностями породного массива, физико-механическими свойствами составляющих горных пород и конфигурацией шахтного поля. Сейсмические явления возникают в тех участках массива, где скорость изменения напряженного состояния превышает предельную скорость релаксации напряжений (вследствие пластических деформаций) [Авершин, 1955]. Изменение напряженного состояния массива в шахтных полях рудников связано с проводимыми горными работами и обусловлено несколькими факторами. Одним из действующих факторов является пригрузка высоконапряженного массива за счет сейсмического воздействия на него взрывных работ, широкого применяющихся при отработке месторождений. Кроме того, изменение напряженного состояния связано с перераспределением напряжений в результате изменения конфигурации подготовительных и очистных выработок в ходе проводимых горных работ. Еще один действующий фактор – глобальное перераспределение напряжений в массиве пород по имеющимся разрывным нарушениям в зонах повышенного горного давления в процессе длительной эксплуатации рудников. Была предпринята попытка количественно оценить взаимоотношения вышеперечисленных действующих факторов, определяющих сейсмоактивность породного массива для двух действующих апатитовых рудников Хибинского месторождения: Кировский рудник (далее в обозначениях кир) и Расвумчоррский рудник (далее в обозначениях рас) Кировского филиала АО “Апатит”.

МЕТОДЫ

Кировский и Расвумчоррский рудники входят в состав Кировского филиала АО Апатит и оборудованы системой автоматизированного сейсмического мониторинга шахтных полей в микросейсмическом диапазоне (АСКСМ) [Корчак и др., 2014]. АСКСМ хранит идентифицированную информацию обо всех зарегистрированных сейсмических явлениях как связанных с сейсмоактивностью массива, так и о технологических взрывах Оценка выполнялась на основе анализа каталога сейсмических событий, зарегистрированных в период с 2019 по 2020 гг. включительно. Общие результаты регистрации по рудникам за анализируемый период приведены в табл. 1.

Выполнен анализ распределения зарегистрированных технологических взрывов и сейсмических событий на основе их энергий, взаимного расположения и хронологии. Зарегистрированные технологические взрывы с точки зрения их воздействия на массив пород использовались в двух аспектах. Во-первых, как источник возмущений в массиве, являющихся непосредственной причиной сейсмических явлений, во-вторых, как индикатор активных горных работ (отбойка, проходка и т.п.), связанных с аккумуляцией накапливаемых структурных изменений в массиве.

Процедура анализа состояла в следующем: для каждого из зарегистрированных технологических взрывов с энергией выше определенного порога выбирались сейсмические события в фиксированном временном интервале после момента взрыва, попадающие в зону влияния взрыва. Для оценки зоны влияния взрывов с учетом их энергии в расчетах использовалась эмпирическая формула:

где: E – энергия взрыва, Дж; R – радиус зоны влияния, м; k – масштабирующий множитель.

Обоснованием для выбора эмпирической формулы послужили соображения размерности, а также некоторая аналогия с известной формулой, задающей связь между размерами очага сейсмического события и его энергией [Dobrovolsky и др., 1979]:

где L – длина разрыва в очаге, м; E – энергия сейсмического события, Дж.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ниже (табл. 2 и рис. 1) приводятся результаты анализа при следующих параметрах:

− масштабирующий множитель k в эмпирической формуле (1) равен 1.2;

− минимальная энергия технологических взрывов, использующихся в анализе, равна 1000 Дж;

− длительность временного интервала анализа равна 168 ч (7 сут).

Из приведенных данных следует, что подавляющее большинство сейсмических событий зафиксировано в зоне влияния, по крайней мере, одного технологического взрыва, причем это распределение устойчиво сохраняется со временем. Это справедливо для обоих рудников, хотя на Расвумчоррском руднике этот показатель несколько ниже.

На рис. 2 и рис. 3 представлено пространственное распределение сейсмических событий, зарегистрированных в феврале 2020 г. на обоих рудниках. Временной интервал ограничен с целью облегчения визуализации сейсмособытий, время выборки выбрано случайно, так как отражает типичное распределение сейсмособытий разных типов во всем анализируемом двухгодичном интервале. По каждому руднику выводятся отдельно все сейсмические события и только события, связанные с сейсмоактивностью массива.

Можно видеть, что, при выбранных параметрах анализа, на обоих рудниках зарегистрированная сейсмоактивность в подавляющем большинстве случаев находится в зоне горных работ, связанных с технологическими взрывами. При этом технологические взрывы “выявляют” участки шахтных полей, находящихся в напряженно-деформированном состоянии, близком к предельному, и откликающихся на проводимые работы проявлениями сейсмоактивности. Сейсмоактивность проявляется в виде пространственно компактных кластеров сейсмособытий, легко выявляемых даже визуально.

Выявление характерных механизмов формирования сейсмических событий в зоне влияния технологических взрывов выполнялось на основе анализа следующих показателей:

– числа воздействующих взрывов;

– периода воздействия взрывов, то есть временного интервала между временем события и первым взрывом, в зоне влияния которого произошло событие;

– времени отклика события, то есть временного интервала между временем события и последним взрывом, в зоне влияния которого произошло событие.

Из данных, приведенных в табл. 3 и на рис. 4 и рис. 5, следует, что условия, приводящие к реализации сейсмического явления, создаются в процессе длительного накопления изменений напряженного состояния массива в связи с перераспределением напряжений в результате изменения конфигурации подготовительных и очистных выработок в ходе проводимых горных работ. Сама реализация сейсмического события осуществляется чаще всего как следствие триггерных эффектов действия взрывов на участки массива, находящихся в состоянии, близком к предельному, за счет предшествующих горных работ (взрывов). Сейсмические события как результат прямого воздействия взрыва на массив составляют незначительное число относительно общего числа событий в зоне ведения горных работ.

Распределение частоты возникновения сейсмических событий, произошедших в зоне влияния взрывов по времени после последнего взрыва, отражает плотность распределения во времени вероятности возникновения сейсмических событий в результате воздействия взрывов, представленную на рис. 5. Следует отметить, что распределение имеет вид быстрозатухающей гиперболической функции и хорошо совпадает с распределением афтершоков после мощных землетрясений, описываемых известным законом Омори–Утсу, согласно которому частота афтершоков убывает гиперболически с течением времени [Гульельми, 2016]:

где: K – продуктивность серии афтершоков, c и p – эмпирические параметры закона Омори–Утсу; t – время после основного толчка.

Аппроксимация частоты возникновения событий законом Омори–Утсу с параметрами c = 0.01 и p = 0.882 показывает хорошее соответствие фактическим данным, коэффициент корреляции при этом равен 0.97 (рис. 5).

Имеется некоторое различие в проявлении сейсмоактивности на разных рудниках. В частности, на Расвумчоррском руднике относительная доля сейсмичности за пределами зоны влияния горных работ (seism) существенно больше по сравнению с Кировским рудником.

На рис. 6 приведены нормированные графики распределения числа событий по энергетическим классам для сейсмособытий, попавших в зону влияния горных работ, и сейсмоактивности вне зоны (на графике job и seism соответственно). Для построения графиков использовались сейсмособытия с энергией, большей нижнего порога чувствительности системы регистрации (1000 Дж). Приведенные графики показывают, что сейсмоактивность в зоне влияния горных работ, в целом, представлена сейсмособытиями с меньшей энергией по сравнению сейсмоактивностью за границами.

Для количественной оценки различия сейсмического режима в этих зонах были выполнены расчеты наклонов графика повторяемости в форме закона Гутеберга–Рихтера [Gutenberg, Richter, 1954] по методу максимального правдоподобия [Aki, 1965]. Результаты расчетов представлены на рис. 7, из которых следует, что расчетное значение b-value для сейсмособытий в зоне горных работ адекватно рассчитывается только для энергетических классов свыше 5.5 и превышает соответствующее значение b-value для сейсмособытий вне зоны более чем на 20%.

Проанализированы сценарии подготовки и реализации 32 сейсмических событий с излученной энергией большей 5 × 10⁶ Дж (горных ударов), зарегистрированных в период с 2019 по 2020 г. включительно в зоне влияния технологических взрывов. Как показал анализ, типичные сценарии подготовки и реализации горных ударов состоят в образовании кластеров событий с меньшей энергией с последующим горным ударом на периферии образованного кластера, либо в пространстве между близко расположенными кластерами. На рис. 8 и рис. 9 представлены несколько примеров таких реализаций по обоим рудникам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что в подавляющем большинстве случаев (порядка 80%) сейсмоактивность массива горных пород в шахтных полях рудников проявляется в местах ведения горных работ, где выполняются работы по проходке и очистной выемке с проведением взрывов.

В результате анализа выявлены 2 группы формирования сейсмичности массива: сейсмичность в рабочих зонах, связанных с технологическими взрывными работами, и сейсмичность природная, определяющаяся структурно-геологическими факторами.

В целом, различие характеристик проявления сейсмичности для этих двух групп сейсмических событий состоит в следующем:

1. Сейсмоактивность после взрывных работ затухает по времени, аналогично афтершокам после сильных землетрясений. При этом сейсмические события, произошедшие с малым временем задержки от момента взрыва, т.е. такие, которые могут являться результатом непосредственного воздействия ударных волн от взрывов, в анализируемых данных практически отсутствуют.

2. При приближении фронта очистных работ взрывы активизируют участки в шахтном поле, находящиеся в состоянии, близком к предельно-напряженному, в виде пространственно-компактных кластеров сейсмособытий.

3. Сейсмоактивность в зоне влияния технологических взрывов представлена сейсмособытиями с относительно меньшими энергиями по сравнению с сейсмоактивностью за ее пределами (угол наклона графика повторяемости b-value, рассчитанный по энергетическим классам, для сейсмособытий в зоне влияния технологических взрывов на 20% больше, чем за ее пределами).

Существенные различия в характеристиках сейсмоактивности в выявленных зонах можно интерпретировать следующим образом: сейсмоактивность в зоне влияния технологических взрывов связывается с процессами трещинообразования при перераспределении напряжений в процессе добычных работ, в то время, как вне зоны влияния взрывов, сейсмоактивность определяется тектоническими процессами и процессами, связанными с глобальной перестройкой напряженно-деформированного состояния породного массива по мере отработки месторождения.