Назад в библиотеку

---

ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИКИ ПО МЕРЕ ОТХОДА ЛАВЫ ОТ МОНТАЖНОЙ КАМЕРЫ

Автор:E.B. Бабенко (УкрНИМИ, г. Донецк, Украина)

Техногенные сейсмические события, возникающие вокруг быстро движущихся лав, последнее время привлекают все боль­шее внимание исследователей в связи с увеличением опасности динамических разрушений массива горных пород [1, 2, 3]. При увеличении скорости подвигания лав до 150—200 м/мес и более в их окрестности возникают динамические разрушения массива в породах средней и даже легкой обрушаемости, то есть там, где ранее такие опасные явления не наблюдались. В связи с этим появляются математические модели, в которых предпринимаются попытки имитировать условия возникновении теногеной сейсмики.

В данной статье анализируется динамика техногенной сейсмики с применением геомеханической модели сдвижений массива горных пород с прямым учетом времени [4, 5]. Данная модель основана на решении системы уравнений, описывающих динамику движения массива согласно второму закону Ньютона и урав­нений связи напряжений и деформаций с учетом запредельного состояния горных пород [6, 7]. Для идентификации разрушений подрабатываемой толщи пород необходимо использовать известные критерии прочности, которые зависят от действующих напряжений. В качестве такого параметра в данной статье автор использует эквивалентное напряжение, которое вычисляется при помощи критерия прочности горной породы. С учетом вышесказанного формула для расчета техногенной сейсмики приобретает вид.

На глубине 800 м отрабатывалась одиночная лава, которая отходила от монтажной камеры. Вынимаемая мощность пласта составляла 2 м, скорость подвигания 200 м/мес, длина лавы 200 м. Управление кровлей осуществлялось путем ее полного обрушения. Моделировалось подвигание массива и выработанного пространства лавы в связи с симметрией расчетной области. Массив пригружен собственным весом, на боковых гранях расчетной области запрещены перемещения по нормали к соответствующим граням, а точки дна расчетной области закреплены вдоль силы тяжести. На плоскости симметрии запрещены, кроме этого, угловые деформации модели относительно оси Y.

На рис. 1 показано распределение зон повышенной техногенной сейсмической активности при отходе лавы на 40 м. При этом выделены элементы, которые в результате разрушения вы­делили кинетическую энергию, квадрат которой превышает

2,5*10 , Дж . Видно, что концентрация опасных зон приурочена к кровле пласта над краевой частью пласта со стороны монтаж­ной камеры, которая указана стрелкой. Пустотелой стрелкой указано направление подвигания лавы. Меньший уровень сейсмической активности имеет подработанная толща пород и еще меньший приурочен к породам кровли впереди движущегося очистного забоя. Полученное распределение согласуется с динамикой развития зон запредельного состояния, которая свидетельствует о том, что почва при отходе лавы на 40 м вообще не разрушается.

Рис. 1 — Энергия больше 2,5Е15 при отходе на 40 м

При отходе лавы на 80 м указанная тенденция распределения зон повышенной сейсмической активности сохраняется с той разницей, что сейсмическая активность появляется в надработан­ной почве (указано стрелкой) и над краевой частью пласта впереди очистного забоя на большей высоте (рис. 2). Характерно, что сейсмическая активность расширяется над краевой частью пласта со стороны монтажной камеры, как в почву, так и в кровлю.

Рис. 2 — Энергия больше 2,5Е15 при отходе на 80 м

 

После отхода лавы на 120 м (рис. 3) сейсмическая активность в краевой части пласта со стороны монтажной камеры затухает, что свидетельствует об исчерпании потенциальной энер­гии опорного давления и релаксации энергии во времени. Сейсмически активная область в подработанном массиве удаляется вверх от кровли отрабатываемого пласта, поскольку начинает формироваться зона полных сдвижений, к которой приурочена зона сейсмического затишья.

Рис. 3 — Энергия больше 2,5Е15 при отходе на 120м

 

После перемещения лавы на 160 м (рис. 4) указанные тренды сохраняются. Таким образом, после отхода лавы от разрезной печи на расстояние более длины лавы процесс динамических сдвижений стабилизируется и принимает периодический харатер. При этом область сильных динамических явлений перемеща­ется вслед за движущимся очистным забоем.

Рис. 4 — Энергия больше 2,5Е15 при отходе на 160м

 

Анализ спектра сейсмических событий техногенной природы показал, что распределение энергетического спектра техногенных сейсмических событий, вызванных быстрой отработкой длинных очистных забоев согласуется с логнормальным распределением. При этом не более 9% событий связано с излучением сейсмической энергии с уровнем, превышающим 40 МДж. Максимальная энергия техногенных сейсмических событий при отработке длинных очистных забоев во вмещающих породах средней устойчивости со скоростью 180 м/мес достигает 262 МДж.

Полученные выводы хорошо согласуются с данными инструментальной регистрации сейсмических техногенных событий в натурных условиях.

Так, в Рурском каменноугольном бассейне при отработке быстро движущихся очистных забоев последние десятилетия регулярно регистрируются техногенные сейсмические события, магнитуда которых достигает 3 баллов и более. В статье [8] описывают результат мониторинга сейсмической активности с помощью трех подземных и пяти наземных сейсмических станций. В процессе динамических сдвижений массива горных пород вокруг действующего очистного забоя возникают трещины, которые расширяются в пространстве. Начальное положение трещины или ее зародыш авторы статьи считают точкой, из которой начинает эмитировать сейсмическая энергия. В сейсмологии такие источники называют гипоцентрами сейсмических событий. В течение двух лет были зарегистрированы около 1000 крупных техногенных сейсмических событий вокруг действующих очистных забоев. Около 50 из них было зарегистрировано тремя и бо­лее сейсмическими станциями, что позволило восстановить пространственные координаты событий.

На рис. 5 приведены примеры сейсмограмм событий, на ко­торых можно определить задержку прибытия поперечных волн на сейсмоприемник по сравнению с прибытием продольных волн По величине этой задержки авторы вычисляют расстояние от эпицентра сейсмического события до сейсмографа, а используя несколько сейсмографов, разнесенных в пространстве, восстанавливают местоположение события.

На рис. 6 приведено распределение крупных сейсмических событий, совмещенных с планом горных выработок на шахте Генрих Роберт. События в плане нанесены крестиками, а станции треугольниками. На распределении четко заметно, что сейсмические события группируются вокруг действующих очистных забоев, что свидетельствует об их техногенной природе.

1.0 12 1.4 1.6
Time (в)

Рис. 5 — Типичные сейсмограммы техногенных событий

 

При этом даже по распределению в плане видно, что сейсмические события приурочены к трем характерным зонам сдвижений: зоне динамического опорного давления впереди действующих лав; к боковым зонам опорного давления, которые формируются при подвигании лавы в зоне активных сдвижений позади лавы и частично сильные динамические события распространяются в выработанное пространство над движущимся очистным забоем. Эти события связаны с зависанием и последующим обрушением прочных слоев песчаников.

Совмещение графика движения лавы и сейсмических событий во времени показывает тесную связь между ними (рис. 7). Это значит, что после отхода лавы от разрезной печи на значи­тельное расстояние зона активных сейсмик движется за очист­ным забоем, при этом примерно половина событий связана с зоной опорного давления, обгоняющей движущуюся лаву, а остальная часть отстает от лавы на расстояние 10-50 м.

Результаты математического моделирования также хорошо совпадают с данными мониторинга техногенной сейсмической активности на угольных шахтах Австралии [9]. На рис. 8 приведены примеры распределения техногенной сейсмической активности в вертикальной и горизонтальной плоскости, проведенной через выработанное пространство действующей лавы.

I1UW.
1600—і

 

Мониторинг сейсмики осуществлялся в автоматическом режиме в течение двух месяцев, что позволило записать тысячи событий и проследить динамику сдвижений при подвигании очистного забоя на 350 м. Видно, что основные сейсмические события расположены главным образом у краевых частей выработанного пространства. Это связано с зависанием породных

ЗЛ 102

ЗЛ 103

ЗЛ 104

консолей над краевой частью угольного массива или целиков и последующим их обрушением. Однако вертикальный разрез толщи (рис. 86) свидетельствует о том, что указанная тенденция прослеживается лишь на высоту 50-80 м от кровли угольного пласта. Чем ближе к земной поверхности, тем равномернее расположены точки, где возникли динамические разрушения масси­ва и были сгенерированы сейсмические сигналы, зарегистрированные геофонами. Из 1200 событий, которые были зарегистрированы, 629 имели природу продольных сейсмических волн, которые генерировались при первичном обрушении породных консолей. Энергия таких волн была весьма существенной и, поэтому тип волн определялся с высокой достоверностью. Остальные сигналы были достаточно слабыми, что не позволило определить их природу с высокой степенью достоверности. Авторы статьи полагают, что эти сигналы порождались вторичными разрушениями толщи при уплотнении обрушенных пород.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что вблизи очистного забоя сейсмические импульсы заметно концентрируются у краевых частей выработанного пространства лавы, поскольку они генерируются обрушением зависающих боковых консолей по­родных слоев. Однако выше 50-80 м над пластом (то есть на уровне основной кровли и выше) пространственное распределение сейсмических событий становится более равномерным и зависит уже от строения толщи и ее прочностных свойств, а также от конфигурации сплошного выработанного пространства.

Выполненный анализ свидетельствует о полном качественном совпадении результатов математического моделирования, выполненного в данной работе, с результатами натурного инструментального мониторинга техногенной сейсмической активно­сти.

Выводы

Разработана геомеханическая модель, позволяющая достоверно прогнозировать координаты и энергию техногенных сейсмических событий в окрестности быстро движущегося очистного забоя (со скоростью более 120-200 м/мес). Эта модель построена на основе второго закона Ньютона, теорий прочности Кулона-Мора и НГУ, а также прямым образом учитывает скорость подвигания лавы, скорость необратимых процессов сдвижения и трехмерное перераспределение напряжений и деформаций вокруг движущейся лавы.

Сопоставление зон запредельного деформирования вокруг очистного забоя, полученных на компьютерной модели и экспериментально, свидетельствует о высокой достоверности результатов моделирования.

Впервые установлено, что распределение энергетического спектра техногенных сейсмических событий, вызванных быстрой отработкой длинных очистных забоев согласуется с логнормальным распределением. При этом не более 9% событий связано с излучением сейсмической энергии с уровнем, превышающим 40 МДж. Максимальная энергия техногенных сейсмических событий при отработке длинных очистных забоев во вмещающих породах средней устойчивости со скоростью 180 м/мес достигает 262 МДж.

Определены характерные области зоны сдвижений, к которым приурочены участки, в пределах которых выделяется максимальная сейсмическая энергия техногенной природы. Эти области совпадают с зонами ПГД и, в частности, с краевыми участками отрабатываемого пласта, а также с надработанной толщей на расстоянии более 40 вынимаемых мощностей от почвы отрабатываемого пласта и подрабатываемым массивом на высоте 60 вынимаемых мощностей, что совпадает с замковой (сводовой) частью зоны полных сдвижений. При этом по мере отхода лавы от разрезной печи максимум техногенной сейсмической энергии выделяется в области краевой части пласта со стороны монтаж­ной камеры, затем распространяется в подрабатываемую толщу и впереди движущейся лавы и только после этого в надрабатываемую почву пласта.

После удаления лавы на расстояние 160-200 м выделение сейсмической энергии над краевой частью пласта со стороны разрезной печи затухает, и продолжается периодически впереди движущейся лавы, на прилегающих боковых границах выработанного пространства, а также над и под выработанным пространством в пределах зоны активных сдвижений. Зона техногенной сейсмической активности передвигается вслед за движущейся лавой.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Chavan A.S. Prediction of area instability from mining in­duced seismicity / A.S. Chavan, N.M. Raju // Rock mechanics Pro­ceedings of the 35^th U.S. Symposium. - Rotterdam: A.A.Balkema Publisher, 1995. - P. 533-538.

2.Van Aswegen G. Towards best practice for routine seismic hazard assessment in mines / Van Aswegen G. // 30^th International Conference of Safety in Mines Research Institutes, South African In­stitute of Mining and Metallurgy. - 2003. - P. 121-138.

3.Dubinski J. Influence of the mining tremor source radiation directivity on the distribution of the seismic interactions with surface / J. Dubinski, A. Lurka, K. Stec // 20^th world mining Congress. - Te­hran, 2005. - P. 889-894.

4.Бабенко E.B. Настройка модели для моделирования сейсмических событий техногенной природы / Е.В. Бабенко // Проблемы горного давления. - 2009. - №17. - С. 67-93.

5.Бабенко Е.В. Анализ динамики техногенной сейсмич­ности в процессе подвигания лавы / Е.В. Бабенко, В.Н. Мельник // Проблемы горного давления. - 2010. - №18. - С. 180-193.

6.Cundall P.A. A Microcomputer Program for Modeling Large-Strain Plasticity Problems / Cundall P. A., M. Board // Numeri­cal Methods in Geomechanics. Proceedings of the 6th International Conference. - Innsbruck, Austria, 1988. - P. 2101-2108.

7.Cundall P.A. A discrete numerical model for granular as­semblies / Cundall P.A., Strack O.D.L. // Geotechnique. - 2009. -№1. - P. 47-65.

8.Fritchen R. Seismic events due to underground mining ac­tivities / R. Fritchen, E. Rakers // Proc. Int. Conf. on Ground Control in Mining. Morgantow, WVU. - 1999. - P. 210-215.

9. Holla L. Some time dependent aspects of longwall mining subsidence. Geomechanics / L. Holla // Ground control in mining and underground construction. - Wollongong, 1998. - P. 719-728.

Стаття надійшла до редакції 15.11.2011 Рекомендовано до друку д-р техн.наук В. О. Назаренко

Розроблено геомеханічну модель, за допомогою якої можна достовірно прогнозувати місцезнаходження та енергію техно­генних сейсмічних подій навколо очисного вибою, що швидко по­сувається (зі швидкістю більш 120-200 м/міс).

A geomechanical model that reliably predicts the position and energy of technogenic seismic events in the vicinity of a fast-moving working face (at a rate more than 120-200 m/month) is developed.