автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование акустической и электромагнитной эмиссии для прогноза сейсмичности и удароопасности массива пород

На правах рукописи

Паничкин Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ПРОГНОЗА СЕЙСМИЧНОСТИ И УДАРООПАСНОСТИ МАССИВА ПОРОД (НА ПРИМЕРЕ АПАТИТОВЫХ РУДНИКОВ ХИБИН)

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АПАТИТЫ - 1996

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук.

Научные руководители:

-чл.-корр. РАН, профессор,

доктор физ.-мат. наук, академик АЕН

Г-А.Соболев,

- доктор технических наук, академик АГН А.А.Козырев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Э.В.Каспарьян кандидат физ.-мат. наук Д.И.Фролов

Ведущая организация:

- АО "Апатит"

Защита состоится "18" шоня 1996 г.

в 14 час. 15 мин. на заседании специализированного совета К.003.79.01 в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

по адресу. 184200, г.Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

Автореферат разослан " " _ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, с.н.с.

О.Е.Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Хибинский массив является единственным в России и СНГ крупным поставщиком апатитовых руд - важнейшего сырья для производства фосфорных минеральных удобрений. В настоящее время более 40% добычи апатитовых руд осуществляется подземным способом. Дальнейшее развитие горнодобычных работ в Хибинах связывают с вовлечением в эксплуатацию запасов руд на более глубоких горизонтах, отработка которых повлечет резкое усиление динамических проявлений горного давления. Уже в настоящее время на нижних горизонтах Кировского рудника АО "Апатит" разрушения в выработках в зонах опорного давления достигают значительных размеров; имеют место интенсивное заколообразование, стреляние пород, зафиксированы микроудары, горные и горно-тектонические удары. Интенсивность проявлений и масштабы последствий значимо возрастают с глубиной.

В последние годы в зоне действия рудников стали возникать мелкоочаговые техногенные землетрясения с магнитудой 3-4, следствием которых явились значительные разрушения горных выработок, подземных коммуникаций и механизмов, повреждения промышленных объектов и жилых зданий в близлежащем поселке Кукисвумчорр. В качестве основного фактора, инициирующего сейсмичность в массиве, и как следствие динамические явления в горных выработках, выступают технологические массовые взрывы при отбойке руды.

В связи с этим, внедрение эффективных методов контроля и разработка способов прогноза динамических явлений в массиве и в горных выработках позволит повысить безопасность работ на апатитовых рудниках, что и определяет актуальность настоящих исследований.

ЦЕЛЫО РАБОТЫ является разработка методик локальной оценки удароопасности горных выработок по параметрам акустической эмиссии и прогноза сильных сейсмических событий (Е>104 Дж) после массовых взрывов по параметрам акустической (АЭ) и электромагнитной (ЭМИ) эмиссии применительно к условиям апатитовых рудников.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании связи параметров сигналов АЭ-ЭМИ с процессами разрушения массива пород на различных масштабных уровнях.

Исходя из цели исследований и степени изученности вопроса в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать параметры акустической эмиссии, в том числе амплитудные характеристики сигналов АЭ, при деформировании пород и руд Хибинского массива.

2. Определить информативные критерии для локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках по параметрам АЭ.

3. Обосновать механизм подготовки сейсмических событий в массиве пород после воздействия на него массового взрыва и методические положения, позволяющие выполнять прогноз сильных сейсмических событий по времени методами АЭ и ЭМИ.

4. Выявить информативные предвестники и определить критерии для прогноза сильных сейсмических событий по времени в массиве пород после массовых взрывов по комплексу параметров АЭ-ЭМИ.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые в работе:

1. Амплитудное распределение сигналов АЭ отражает масштабный уровень процессов разрушения и может быть использовано для оценки удароопасности пород и прогноза динамических явлений в горных выработках.

2. Процесс перераспределения энергетических параметров АЭ и ЭМИ носит стадийный характер и отражает последовательность развития и масштабный уровень разрушений в массиве, что позволяет выполнять прогноз сейсмических событий с Е>104 Дж по времени после массовых взрывов. Выделены следующие основные стадии: 1- стадия подготовки сильных сейсмических событий; 2- стадия реализации сильных сейсмических событий; 3- стадия затишья.

3. Энергетические и статистические параметры сигналов АЭ и ЭМИ позволяют осуществлять выделение стадий подготовки и реализации сильных сейсмических событий в реальном масштабе времени. Информативными параметрами являются: для выделения стадии подготовки -^ЕЕаэ, В(^ЕЕаэ); для выделения стадии реализации - ^1ЕЭми, ^Еср. эми и их дисперсии (где: НЕаэ и ГЕэми - суммарная энергия АЭ и ЭМИ за цикл измерений равный 7 мин; ^Еср.эми - средняя энергия ЭМИ за цикл измерений; Э - дисперсия).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках методом АЭ применительно к апатито-нефелиновым месторождениям Хибинского массива. В основе методики лежит комплексный анализ интенсивности и амплитудного распределения импульсов АЭ, что позволяет отслеживать процесс разрушения не только количественно, но и качественно, и тем самым прогнозировать динамические события в выработках.

2. Впервые, в натурных условиях, изучено временное распределение энергетических параметров сигналов АЭ и ЭМИ и установлена взаимосвязь между их вариациями и процессами подготовки и реализации сильных сейсмических событий после воздействия на массив массового взрыва.

3. Разработана методика, позволяющая по комплексу энергетических и статистических параметров сигналов АЭ и ЭМИ выполнять краткосрочный прогноз сильных сейсмических событий по времени в

апатито-нефелиновых массивах после массового взрыва. Основой предлагаемой методики является разбиение временного интервала наблюдений сигналов АЭ и ЭМИ на стадии, которые связаны с процессами разрушения пород в массиве и отражают масштабный уровень этих разрушений.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ включала.

1 - обзор литературы и результатов предыдущих исследований;

2 - изучение акустоэмисснонных свойств пород и руд Хибинского массива в лабораторных и натурных условиях;

3 - комплексные исследования параметров акустической и электромагнитной эмиссии, наведенных в массиве после массовых взрывов;

4 - обработку результатов наблюдений методами математической статистики;

5 - испытание и внедрение методик и технических средств контроля на апатитовых рудниках.

Достоверность научных положений, вы» о до в и рекомендаций подтверждается:

1. Представительным объемом лабораторных и натурных наблюдений.

2. Сходимостью определений категории удароопасности в горных выработках, выполненных методом акустической эмиссии, и утвержденными на апатитовых рудниках методами: дискования керна (МДК) и контроля за разрушением скважин (КРС).

3. Совпадением прогнозных оценок времени реализации сильных сейсмических событий, полученных по комплексу прогностических критериев акустической и электромагнитной эмиссии, с данными автоматизированной системы контроля сейсмичности массива (АСК СМ) о времени и месте реализации этих событий

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Внедрение акустоэмнссионного метода на апатитовых рудниках позволило значительно повысить надежность локального кошроля удароопасности горных выработок.

2. Впервые обоснована возможность использования комплекса эмиссионных методов (АЭ-ЭМИ) для прогноза сильных сейсмических событий по времени в реальном массиве. Показана целесообразность включения эмиссионной системы (в качестве подсистемы) в информационную систему объединенного Кировского рудника, что позволит совместно с АСК СМ прогнозировать сильные сейсмические события не только по месту, но и по времени. Определены пути технического и методического развития эмиссионной системы на конкретном промышленном объекте - Кировском руднике АО "Апатит", что предусматривает: а - установку на руднике усовершенствованной аппаратуры и средств сбора и передачи информации; б - расширение пунктов регистрации до 5-6, что позволит равномерно охватить зону контроля (в

настоящее время - район блока-целика на гор.+252 м Кировского рудника); в - разработку программных средств обеспечения системы.

Практическая реализация проведенных исследований заключается в следующем:

1 - Внедрен в производство метод акустической эмиссии и "Временная методика локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках по параметрам акустической эмиссии" применительно к условиям апатитовых рудников Хибин;

2- Введена в опытную эксплуатацию на Кировском руднике АО "Апатит" автоматизированная подсистема эмиссионного контроля.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5-ой Всесоюзной и 6-ой Всероссийской школах-семинарах "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Зеленогорск, Ленинградской обл. 1989, пос. Борок Ярославской обл., 1994), 6-ом Международном семинаре по горной геофизике (Пермь, 1993), 10-ой Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993 ), Всесоюзной конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Новосибирск, 1994 ).

Исследования выполнялись в рамках г осударственной научно-тех-1шческой программы России "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" (проект 2.2 "Разработка научных основ оценки опасности эндогенных процессов") по хоздоговорам с объединенным Институтом физики Земли Российской академии наук (ОИФЗ РАН), а также в рамках тем НИР Горного института Кольского научного центра Российской академии наук (ГОИ КНЦ РАН) и хоздоговоров с АО "Апатит". Основные результаты отражены в отчетах за 1990-1995 гг. и одобрены учеными советами ГОИ КНЦ РАН и ОИФЗ РАН.

Публикащш. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста, включает 57 рисунков, 7 таблиц, 2 приложения, список литературы из 115 наименований.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Объектом настоящих исследований являются апатитовые рудники Хибинского массива. Многочисленные явления указывают на заметную активизацию тектонических процессов в пределах Хибинского массива в целом и апатитовых месторождений в частности. За период с 1986 по 1996 гг. в Хибинах произошло более 100 сейсмических событий с М>1, в районе действующих рудников зафиксировано 5 техногенных землетрясений с Е=107-10и Дж (16.04.89г., 25.07.89г., 12.12.90г., 17.11.93г.,

?.6.10.95г..), с 19S1 по 1994гг. на подземных рудниках зарегистрировано 34 горных удара. На Кировском руднике АО "Апатит" в зоне контроля АСК СМ в период с 01.91 по 01.96гг. зарегистрировано свыше 900 сейсмических событий с Е>104 Дж, причем с 1994 года отмечена тенденция роста энергии сейсмических событий.

Наряду с геодинамическими факторами, наличием высоких тектонических напряжений в Хибинском массиве, причиной активизации тектонических процессов и связанных с ними землетрясений (в том числе техногенных) и проявлений горного давления явились крупномасштабные горнодобычные работы на апатито-нефелиновых месторождениях Хибинского массива. Установлена связь активизации сейсмичности в Хибинах с изъятием и перемещением рудной и породной массы, а также с массовыми технологическими взрывами на рудниках. Массовые взрывы при отбойке руды вызывают резкое изменение сейсмоактив-ности в пределах шахтного поля рудников и прилегающего к нему массива пород. Количество сейсмических событий после массовых взрывов, например, на Кировском руднике (в зоне контроля АСК СМ) возрастает до 100-150, иногда более 200 в сутки, при 4-5 событиях в периоды между массовыми взрывами. Снижение сейсмической активности до фонового уровня происходит в течение 1 -4 суток в зависимости от геомеханической ситуации на участке взрыва.

Тенденция к усилению динамических проявлений горного давления, наблюдаемая при отработке всех апатитовых рудников Хибинского массива, определяет необходимость совершенствования методов контроля и прогноза удароопасных ситуаций в пределах шахтного поля рудников. Учитывая значительные площади рабочих пространств апатитовых рудников, решение подобной задачи предполагает наряду с совершенствованием комплекса локальных методов, разработку новых, перспективных автоматизированных систем контроля, способных отслеживать динамику развития процессов разрушения в массиве на больших площадях. В качестве одного из информативных способов диагностики и контроля за динамикой разрушений в массиве могут служить методы акустической и электромагнитной эмиссии, которые в настоящее время не нашли практического применения на апатитовых рудниках Хибин, ввиду отсутствия современной аппаратуры и эффективных методик контроля.

Значительный вклад в изучение физической природы явлений акустической и электромагнитной эмиссии, разработку теоретических основ методов АЭ и ЭМИ и направлений их практического использования внесли советские ученые: М.С.Анциферов, А.С.Бляхман, С.Д.Виноградов, А.А.Воробьев, М.Б.Гохберг, Н.И.Гершензон, В.М.Демин, С.Н.Журков, В.С.Куксенко, С.В.Кузнецов, В.Л.Мансуров, В.В.Мещеряков, Ю.Г.Мясников, В.И.Панин, В.М.Проскуряков, И.М.Петухов, М.Е.Перельман, Ю.В.Ризниченко, А.Д.Рубан, Г.А.Соболев, А.П.Скакун,

В.А.Смирнов, А.Н.Ставрогин, А.В.Степанов, В.П.Смилга, Н.Г.Томи-лин, Б.Г.Тарасов, Д.И.Фролов, Н.Г.Хатиашвили, В.А.Шкуратник, В.С.Ямщиков и зарубежные: Кайзер, К.Моги, К.Г.Шольц, Д.Лохнер, В.М.Маккейбл, Р.Л.Спроулл и многие другие.

Природа акустической и электромагнитной эмиссии в горных породах связана с процессами образования и развития трещин. Разрушению объема горной породы предшествует закономерное изменение параметров АЭ и ЭМИ, что позволяет использовать эти явления для оценки удароопасного состояния массива пород. Наиболее информативными для изучения являются амплитудные (энергетические) параметры АЭ и ЭМИ так как они имеют связь с параметрами источников (трещин), что позволяет отслеживать динамику и масштабный уровень процессов разрушения. В то же время, большая часть существующих в настоящее время методик контроля удароопасности пород в горных выработках методами АЭ и ЭМИ используют для оценок только параметр интенсивности (активности) АЭ и ЭМИ.

Методики контроля удароопасного состояния массива пород, разработанные в настоящей диссертационной работе, в качестве основных информационных параметров используют энергетические и амплитудные характеристики сигналов АЭ и ЭМИ. Впервые разработана методика, в основе которой лежит комплексный анализ энергетических параметров сигналов АЭ и ЭМИ, излучаемых массивом пород, с целью прогноза сейсмических событий в реальном массиве.

Основные результаты диссертационной работы отражены в научных положениях, выносимых на защиту:

1. Амплитудное распределение сигналов АЭ отражает масштабный уровень процессов разрушения и может быть использовано для оценки удароопасности пород и прогноза динамических явлений в горных выработках.

В результате лабораторных исследований (в условиях одноосного нагружения) показана высокая информативность амплитудного анализа сигналов АЭ при изучении динамики процессов разрушения горных пород Хибинского массива. Установлено, что по мере развития процесса разрушения в образцах наблюдается перераспределение импульсов АЭ по амплитудным порогам, закономерно растет число импульсов с высокой амплитудой и уменьшается число импульсов с низкой амплитудой. Эта тенденция происходит на фоне снижения суммарного числа импульсов АЭ. Из соотношения А~1, (где А - амплитуда акустического импульса, 1 - длина трещины) следует, что в процессе подготовки разрушения растет относительное число более крупных трещин (рис.1). Существующие теоретические предпосылки, подтвержденные данными лабораторных исследований, явились основой для изучения этих процессов в массиве пород с целыо разработки методик прогноза сейсмических событий, оценки удароопасности пород и

прогноза горных ударов в выработках применительно к апатитовым рудникам Хибин.

10000

о 8000 а

6000

-160

120

го

<Е

4000

о 2000 • ш

о

V

о а о с

от

1Л

СП

0 аз

1

с о

Нагрузка (МПа)

Рис. 1. Характер распределения импульсов АЭ по амплитудным порогами и интенсивность АЭ (М) в зависимости от нагрузки дляуртита.

Для измерений АЭ в горных вырабопсах использовалась серийная аппаратура - АФ-42. В процессе исследований за базовый был принят скважинный вариант наблюдений. Отработка методики акустических наблюдений и их апробация проводилась на Кировском и Расвумчорр-ском рудниках АО "Апатит". Акустические измерения на замерных станциях сопровождались определениями категории удароопасности пород апробированными методами МДК и КРС. Обработка информации предусматривала формирование представительных выборок значений параметров АЭ для различных пород и категорий удароопасности.

Оценка пороговых значений интенсивности излучения АЭ (И) для различных категорий и пород выполнена по формуле:

Изи > Мер + ИБ, (1)

где Иан - минимально-аномальное значение параметра; N4, - среднее значение параметра в фоновой выборке; и- стандартный множитель для данного уровня значимости оценки; э- стандартное отклонение параметра в фоновой выборке.

В процессе разработки методики была установлена связь категории удароопасности пород и руд в выработке с амплитудой импульсов АЭ, что позволяет наряду с количественной информацией характеризовать

процесс разрушения качественно, оценивая масштабный уровень разрушений, а при долговременных наблюдениях и его динамику. С этой целью выполнен анализ распределения акустических импульсов по амплитудным порогам и определен максимальный амплитудный порог, в котором регистрировались акустические импульсы при данных условиях напряженного состояния выработки и выбранных режимах аппаратуры.

Информационными параметрами для оценки удароопасности пород в выработке и отнесения ее к категории служат: 1- интенсивность излучения АЭ (И); 2- длина участков скважины с аномальным уровнем параметра N для данной категории и пород; 3 - распределение акустических импульсов по амплитудным порогам. Граничные значения указанных параметров для разных категорий удароопасности пород в выработках приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Граничные условия для определения категории удароопасности пород в выработке

Порода N 1(м) тах. ампл.порог Категория

<100 - 6 III

Ийолит, >100 0.4-1.5 8 II

уртит >1700 0.6-2.0 10 I

<70 - 6 III

Апатитовая >70 0.4-1.5 8 II

РУДа >2500 нет данных нет данных I

В соответствии с задачами по контролю горных выработок, стоящих перед службами прогноза и предупреждения горных ударов (СППГУ) на рудниках АО "Апатит", разработано два варианта методики контроля методом АЭ:

1. Методика экспрессной оценки удароопасности пород при проходке горных выработок, которая предполагает оперативное определение категории удароопасности пород и руд в горной выработке по одной скважшш без детализации распределения напряжений на контуре выработки.

2. Методика долговременного контроля удароопасности пород в выработках опасных по динамическим проявлениям горного давления. Методика предполагает создание сети замерных станций, на которых определяется категория удароопасности по табл.1 и выполняются периодические измерения параметров АЭ. Места заложения станций выбираются с учетом максимальных проявлений горного давления в настоящее время, а также с тенденцией усиления его проявлений при приближении очистных работ. Методика длительных наблюдений позволяет проследить динамику развития макроразрыва (в т.ч. горного

10

удара) при измерениях в области его очага. Отслеживание и анализ всех информативных параметров, и в первую очередь распределения импульсов по амплитудным порогам, за длительный цикл измерений позволяет наблюдать качественные изменения в потенциально удароопасной области выработки и своевременно выполнять профилактические мероприятия. Характер перераспределения акустических импульсов по амплитудным порогам при развитии макроразрыва в горной выработке соответствует результатам лабораторных исследований (см. рис.1).

Совпадения в определении категории удароопасности методами АЭ и КРС на станциях наблюдается в 86% (по определениям на 22 станциях), что позволило рекомендовать метод АЭ и разработанную методику для широкого применения на апатитовых рудниках Хибин.

2. Процесс перераспределегаш энергетических параметров АЭ и ЭМИ носит стадийный характер и отражает последовательность развития и масштабный уровень разрушешш в массиве, что позволяет выполнять прогноз сейсмических событий с Е>104 Дж по времени после массовых взрывов. Выделены следующие основные стадии: 1 - стадия подготовки сильных сейсмических событий; 2 - стадия реализации сильных сейсмических событий; 3 - стадия затишья.

Экспериментальная, автоматизированная система АЭ-ЭМИ контроля установлена в павильоне на гор.+252м Кировского рудника. Павильон регистрации находится в непосредственной близости от интенсивно отрабатываемого блока-целика, в связи с чем район блока-целика является наиболее удароопасным объектом и требует постоянного контроля.

Система эмиссионного контроля является двухканальной: акустический (АЭ) и электромагнитный каналы (ЭМИ) независимы. Подземная и наземная части системы связаны между собой коаксиальными линиями, длина каждой линии составляет порядка 2-х км. Канал ЭМИ осуществляет прием магнитной составляющей электромагшгтного поля эмиссии на антенну в диапазоне частот от 0.01 до 1.5 мГц. Канал АЭ осуществляет прием акустических сигналов в полосе частот 10 - 300 кГц на пьезокерамические датчики, которые установлены в радиусе 50 м от центра павильона. Столь широкий частотный спектр регистрации сигналов ЭМИ и АЭ обусловлен исследовательским характером наблюдений. Обработка информации выполнялась в режиме реального времени на ЭВМ.

Важной задачей в исследованиях с эмиссионной системой явилась оценка возможности выделения полезных сигналов АЭ и ЭМИ на фоне техногенных шумов. Установлено, что периоды подготовки к массовым взрывам и сутки-полтора после массовых взрывов характеризуются практически полным отсутствием помех, что позволило на стадии разработай методики прогноза сейсмических событий получать качественную информацию из массива. В ходе исследований выявлены различия между параметрами естественных и шумовых сигналов АЭ и

ЭМИ, анализ которых показывает, что нижний частотный порог для условий Кировского рудника должен составлять: по каналу АЭ -порядка 80 кГц, по каналу ЭМИ - порядка 100 кГц. Перспективным для изучения можно считать параметр длительности сигналов АЭ и ЭМИ, который у естественных сигналов значительно превышает аналогичный параметр у шумовых сигналов. Данная информация учтена при разработке аппаратуры.

За период с 1989 по 1994 год проведена регистрация сигналов наведенной АЭ и ЭМИ после 10 массовых взрывов, выполненных в различных частях блока-целика, что позволяет в достаточной мере оценить возможные варианты воздействия массового взрыва на массив пород и определить взаимосвязь вариаций параметров сигналов АЭ и ЭМИ с сейсмическими событиями в массиве пород. Общим для всех экспериментов является наличие стадий во временном процессе перераспределения энергии сигналов акустической и электромагнитной эмиссии и связь стадий с протеканием и масштабным уровнем процессов разрушения в массиве пород после воздействия на него массового взрыва (рис.2). Выделены три основные стадии:

1. Стадия подготовки сильных сейсмических событий. Сопровождается аномальным увеличением параметров АЭ относительно фона. Энергетические параметры сигналов ЭМИ находятся на уровне фона. Временной интервал стадии может сопровождаться сейсмическими событиями с Е<104 Дж. Реализация сейсмических событий с Е>104Дж для этой стадии не характерна. Продолжительность стадии подготовки варьирует от десятков минут до 2-3 часов.

2. Стадия реализации сильных сейсмических событий (Е> 104 Дж). Выделяется по окончании стадии подготовки, в большинстве случаев сопровождается аномальным увеличением параметров ЭМИ. Продолжительность стадии реализации изменяется от нескольких десятков минут до 3-4 часов.

3. Стадия затишья. Характеризуется фоновым уровнем значений энергетических параметров сигналов АЭ и ЭМИ для данного состояния породного массива и может характеризовать переход массива в устойчивое состояние. В то же время, стадия затишья может отмечаться после стадии реализации перед очередной стадией подготовки.

Процесс чередования стадий является циклическим. Основными элементами каждого цикла являются стадии подготовки и реализации. Циклы могут быть разделены стадией затишья.

3. Энергетические и статистические параметры сигналов АЭ и ЭМИ позволяют осуществлять выделение стадий подготовки и реализации сильных сейсмических событий в реальном масштабе времени. Информативными параметрами являются: для выделения стадии подготовки -БС^ЕЕ«); для выделения стадии реализации - ^ЕЕми, ^Еср.эми и их дисперсии.

Статистическая обработка результатов эмиссионных наблюдений после массовых взрывов позволила выявить информационные критерии и формализовать процесс выделения стадий. Результаты расчетов показывают, что стадии подготовки, реализации и затишья отличаются по величинам средних значений параметров АЭ и ЭМИ и их дисперсий, а выполненные оценки позволяют говорить, что эти отличия значимы с вероятностью 0.95.

1>

§

г

$!

ч г

*

1 <"» 0

И

1

§

"1 / и 0

■о £

и.

в/гго' ГО/г*!' !ЗЬ02' !5/)2д' /7Л50' 20/>Ю' 22Ь30' ОЬ5!'

И' Ш2 ШкШ'О!

Рис.2. Результаты анализа распределения энергетических параметров АЭ и ЭМИ после массового взрыва на Кировском руднике (2.02.92 г.)

1- сейсмические события с Е<104 Дж.; 2- сейсмические события с Е>104 Дж.; 3- стадия разрушений в массиве пород непосредственно после массового взрыва; 4- стадия подготовки сейсмических событий с Е>104 Дж.; 5 -стадия реализации сейсмических событий с Е>104 Дж.; 6- стадия затишья.

В результате статистического анализа установлено:

1. Стадия подготовки значимо отличается по величине среднего значения параметра lgEEas и его дисперсии от стадий реализации и затишья.

2. Стадия реализации значимо отличается по величинам средних значений параметров lg£E3MH, lgEcp-аэ и lgEcp ™» и их дисперсий от стадий подготовки и затишья. Следует однако отметить, что оценки по величинам средних значений энергий сигналов АЭ и ЭМИ (lgEcp.as и lgEcp.3MH) носят не столь выраженный характер.

Таким образом, статистические оценки величин средних и дисперсий отмеченных выше параметров могут быть использованы для практического выделения стадий подготовки, реализации и затишья в процессе наблюдений.

Наиболее важное значение для прогноза имеет своевременное выделение стадии подготовки, так как ее начало является моментом объявления тревоги, после которой могут произойти сильные сейсмические события. На рис.За приведен пример реализации этой задачи для фрагмента регистрации одного из массовых взрывов по параметрам lgSEaa и DflgEEas). Пример выделения стадии реализации по параметрам lgSEsMH и D(lgSE3M„) приведен на рис.Зб. Можно видеть, что границы стадии подготовки и реализации четко отмечаются превышением над минимально-аномальным уровнем указанных параметров. Оценки уровней минимально-аномальных значений параметров выполнены по формуле (1). Уровень значимости оценок был принят равным Ри=0.95.

Оценка уровня фона, установившегося в массиве после взрыва, выполняется на стадии затишья. Если стадия затишья отсутствует или нечетко выражена, то оценить фон для ЭМИ можно на стадии подготовки, а для АЭ на стадии реализации в первом цикле наблюдений. Уровень фоновых значений параметров АЭ и ЭМИ в массиве после массового взрыва с течением времени может изменяться, поэтому его оценки при расчетах необходимо корректировать.

Эффективность прогноза сильных сейсмических событий по времени оценена по формуле (B.C. Куксенко, Д.И.Фролов, Н.Г.Томилин и др.-ФТИ им. Иоффе АН РАН):

где ЫпР - число спрогнозированных событий; Иобш - общее число явлений за время наблюдений; ТР - время реализованных тревог; Тл -время ложных тревог; Тобщ - общее время наблюдений.

(2)

а <ь с и гг-

I_I

ш м

17.35 18.53 20.1 21.2Э 22.46 Время измерения

Т 1 1ТТТН

13.01 14.19 15.36 16.5: Время измерения

с и

к

СТ>

18.11

Рис.З. Примеры выделения стадий: а - стадия подготовки сейсмических событий с Е>104 Дж.; б - стадия реализации сейсмических событий с Е>104 Дж.

Оценка эффективности прогноза выполнена для событий с Е>104 Дж, которые зафиксированы в радиусе 450 м от павильона регистрации. Общее число событий в выборке составило 61. Число событий, которые укладываются в стадийную схему процесса, т.е. спрогнозированы, равно 57. Значения параметра Э превышают единицу в 2 и более раз, что говорит о высокой эффективности прогностических критериев.

Задержка между объявлением тревоги и реализацией первого спрогнозированного события с Е>104 Дж, составляет от 4 до 215 мин. Можно отметить, что с увеличением времени от момента взрыва задержка увеличивается.

Механизм подготовки сильных сейсмических событий в массиве пород после воздействия на него массового взрыва обоснован в диссертационной работе с позиций модели лавшшо-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ). Исходя из представлений ЛНТ-модели о стадийности развития процесса разрушения в массиве можно говорить, что наблюдаемая нами стадийность в процессе перераспределения энергии сигналов АЭ и ЭМИ отражает эту последовательность для некоторого объема массива.

Оценки, выполненные для событий с Е=10М06 Дж показывают, что объем массива, который участвует в их подготовке, составляет (по зависимости установленной В.С.Куксенко, Н.Г.Томилиным, Д.И.Фроловым) порядка 105 - 108 м3. Размер очага разрушений для этих событий можно оценить по формуле, предложенной К.Касахара:

Е = cVo (3)

где Е - энергия сейсмического события; V0 - объем очага разрушения; с - Ю^Дж/м3.

Таким образом, при размерах очага разрушений в 102 - 104 м3 пред-вестшиси могут наблюдаться на значительно больших расстояниях. При условии одновременного развития очагов в различных частях массива, что имеет место после массовых взрывов, зона предвестников еще более увеличивается. По результатам наших оценок предвестники наблюдались в радиусе 450 метров от очага разрушений.

На стадии подготовки сильных сейсмических событий в некотором объеме массива (R<450 м) происходит накопление мелких трещин, которые генерируют в основном импульсы АЭ. Это позволяет наблюдать стадию подготовки сильных событий по параметрам АЭ на значительных расстояниях от очага разрушения. Большое количество сигналов АЭ с низкими значениями средних энергий, наблюдаемое нами на стадии подготовки, подтверждают основные положения ЛНТ-модели.

Стадия реализации протекает на фоне укрупнения и локализации процессов трещинообразования в зоне будущего макроразрыва, в нашем случае, сейсмического события с Е>104 Дж, и сопровождается резкой активизацией ЭМИ - наблюдается рост количества и средней

энергии сигналов ЭМИ. При близком положении акустических датчиков к очаговой зоне разрушения регистрируются и акустические сигналы с высокой средней энергией. Регистрация сигналов ЭМИ из удаленной (до 450 м) очаговой зоны возможна благодаря наличию волноводов в шахтном поле рудника, в качестве которых могут служить коммуникационные системы рудника.

Итогом исследований, отраженных в пунктах 2 и 3 защищаемых научных положений, явилась разработка методики, которая позволяет осуществлять контроль сейсмоопасного состояния массива пород в зоне контроля и выполнять краткосрочный (2-4 часа) прогноз сильных сейсмических событий по времени после массовых взрывов. Основой методики является анализ временного процесса излучения массивом АЭ и ЭМИ и на его основе выделение стадий. Разработаны графический и программный алгоритмы для выделения стадий в реальном масштабе времени. Методика прошла испытания на Кировском руднике и может быть использована на всех рудниках АО "Апатит" ввиду сходного геологического строения апатитовых месторождений и применяющихся способов их отработай.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные научные выводы и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. В результате лабораторных исследований показана высокая информативность амплитудного (энергетического) анализа импульсов АЭ при изучении динамики процессов разрушения применительно к основным разновидностям хибинских пород и руд. Установлено, что последовательный процесс развития разрушений в образце сопровождается перераспределением импульсов АЭ по амплитудным порогам. По мере приближения испытуемого образца к заключительному этапу -хрупкому разрушению, закономерно растет число сильных импульсов (с высокой амплитудой) и наблюдается уменьшение числа слабых импульсов АЭ, что является отражением масштабного уровня разрушений и может быть использовано для прогноза макроразрушения.

Результаты лабораторных исследований послужили основанием для изучения энергетических параметров сигналов АЭ и ЭМИ в условиях реального массива с целью прогноза сильных сейсмических событий и горных ударов.

2. Разработаны и внедрены в практику методики локальной оценки удароопасности пород и руд в горных выработках по параметрам АЭ применительно к условиям Хибинских апатитовых рудников:

- методика контроля при проходке горных выработок;

- методика долговременных наблюдений.

В качестве основного информативного критерия в методиках используется распределение импульсов АЭ по амплитудным порогам, что позволяет отслеживать масштабный уровень и динамику процессов разрушения.

3. Впервые в натурных условиях изучена взаимосвязь временных вариаций энергетических параметров сигналов акустической и электромагнитной эмиссии в связи с подготовкой сильных сейсмических событий после массовых взрывов на апатитовых рудниках Хибин. Установлено наличие стадийности в процессе их перераспределения, выявлена связь стадий с протеканием и масштабным уровнем процессов разрушения в массиве пород, что позволяет осуществлять прогноз сильных сейсмических событий (Е> 104 Дж.) по времени. Выявлены основные стадии: 1 - стадия подготовки сильных сейсмических событий; 2 - стадия реализации сильных сейсмических событий; 3 - стадия затишья.

4. Определены информативные параметры сигналов АЭ и ЭМИ, которые используются для практического выделения стадий: для выделения стадии подготовки - ^ЕЕаэ, В(^£Еаэ), для выделения стадии реализации - ^БЕэми, ^Еср.эми и их дисперсии.

5. С позиций модели лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) показано участие в подготовке сильных сейсмических событий значительного объема массива пород, возбужденного массовым взрывом, что и позволяет наблюдать этот процесс на значительном удалении от очагов разрушения (до 450 м.). Стадийность в процессе перераспределения энергии сигналов АЭ и ЭМИ обусловлена процессом образования трещин на различных масштабных уровнях.

6. Разработана методика краткосрочного прогноза сильных сейсмических событий по времени после массовых взрывов по параметрам АЭ-ЭМИ применительно к условиям Хибинских апатитовых рудников. В основе методики лежит процесс выделения стадий по параметрам АЭ и ЭМИ. Разработаны графический и программный алгоритмы для выделения стадий в реальном масштабе времени.

7. Выявлены различия частотных спектров естественных и шумовых сигналов АЭ и ЭМИ, что предполагает коррекцию частотного диапазона приемной аппаратуры. По каналу АЭ нижний частотный порог для условий Кировского рудника должен составлять порядка 80 кГц; по каналу ЭМИ порядка 100 кГц.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Паничкин С.А. Электромагнитная и акустическая эмиссии как предвестники горных ударов на апатитовых рудниках. // Прогноз и предотвращение горных ударов на рудных месторождениях. - Апатиты, 1993, с. 88-91.

2. Паничкин С.А. Исследование сигналов электромагнитной и акустической эмиссии как предвестников сильных сейсмических событий. // 10-ая Международная конференция по механике горных пород. - Москва, 1993, с.4.

3. Паничкин С.А.,Козырев A.A., Соболев Г.А., Демин В.М. Исследование сигналов электромагнитной и акустической эмиссии как предвестников горных ударов после массовых взрывов на апатитовых рудниках Хибин. // 6-ой Международный семинар по горной геофизике. -Пермь, 1993, с.40.

4. Паничкин С.А., Козырев A.A. Элементы методики прогноза напряженного состояния и удароопасности массива горных пород по результатам комплексного изучения энергетических характеристик сигналов АЭ и ЭМИ на примере Кукисвумчоррского апатитового месторождения в Хибинах. // 5-ая Всероссийская школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород".

- Борок, 1994, с.28-29.

5. Паничкин С.А., Козырев A.A., Соболев Г.А., Демин В.М. Возможности комплексного акустического и электромагнитного мониторинга на апатитовых рудниках Хибин. // Всероссийская конференция "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых". - Екатеринбург, 1994, с. 130-131.

6. Козырев A.A., Паничкин С.А. Методические положения прогноза сейсмических событий в массиве пород после массовых взрывов при отработке апатитовых месторождений Хибин по данным комплексной регистрации сигналов акустической и электромагнитной эмиссии. // Методические основы контроля состояния породного массива и прогноза динамических явлений. - Москва, 1994, с.25-44.

Автореферат

ПАНИЧКИН Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ПРОГНОЗА СЕЙСМИЧНОСТИ И УДАРООПАСНОСТИ МАССИВА ПОРОД ( НА ПРИМЕРЕ АПАТИТОВЫХ РУДНИКОВ ХИБИН )

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПЛД № 54-12 от 18 августа 1995г.

Подписано к печати 25.04.96.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.псч.л. 1.4. Уч.-изд.л. 1. Усл.краско-от. 1.4. Заказ № 39. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14