Способ регионального прогноза удароопасности по сейсмологическим наблюдениям

Изобретение относится к горному делу, в частности к региональному прогнозу удароопасности массива горных пород по сейсмологическим наблюдениям. Сущность: сеть сейсмоприемников устанавливают в пределах шахтных полей с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического пункта. Осуществляют регистрацию сейсмических событий. Вычисляют координаты и сейсмическую энергию событий по моментам первых вступлений прямых продольных волн. Определяют «механизмы» очагов. Строят карты сейсмической активности в изолиниях. При этом участки шахтных полей, расположенные внутри изолиний со значением 15, рассматривают как реально опасные по динамическим проявлениям горного давления. Для событий с квадрантным распределением знаков первых вступлений определяют положение в пространстве плоскостей подвижки, оценивают направления действия главных напряжений в контролируемом массиве горных пород. Оценивают взрывной эквивалент динамических проявлений горного давления. Технический результат: повышение достоверности прогноза.

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к региональному прогнозу удароопасности массива горных пород по сейсмологическим наблюдениям.

Известен способ регионального прогноза удароопасности горного массива (RU 2052108 от 10.01.1996, заявка 5037428/03 от 22.01.1992, Е 21 С 39/00), заключающийся в том, что в параллельных рядах скважин, пробуренных в контролируемом массиве, устанавливают оптические датчики. Расстояние между скважинами и датчиками в них выбирают равными расстоянию дальности реагирования номинальной чувствительности датчиков на изменения динамического состояния участков массива пород, а прогноз удароопасности проводят по направлению и величине скорости перемещения максимума потенциальной энергии в контролируемом массиве шахтного поля.

Однако в известном способе не использован метод непрерывных сейсмологических наблюдений, обеспечивающий уверенное определение координат и сейсмической энергии явлений.

Известен способ регионального прогноза удароопасности по сейсмологическим наблюдения (Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, подверженных горным ударам - Л., 1988. - c.55). Основой способа регионального прогноза является сейсмическая активность, которая изображена в виде карт. Карты сейсмической активности строят по данным сейсмических явлений. Каждое сейсмическое событие, связанное с динамическим проявлением горного давления, заносят в банк данных ЭВМ. Непрерывное сейсмологическое наблюдение проводят в частотном диапазоне 1-50 Гц по сети пунктов, обеспечивающих уверенную регистрацию сейсмических явлений (толчков, микроударов, горных ударов, взрывов и т.п.) с сейсмической энергией от 10² Дж и выше. (Принят за прототип.)

Однако в известном способе на карте регионального прогноза области, оконтуренные изолиниями от 1 и более, относят к удароопасным.

В предложенном способе регионального прогноза области, оконтуренные изолиниями со значением 1, определяют как потенциально удароопасные по возможному проявлению горных ударов. Участки полей, расположенные внутри изолиний со значением 15, рассматривают как реально опасные по динамическим проявлениям горного давления.

Суть способа регионального прогноза удароопасности массива горных пород по сейсмическим наблюдениям заключается в следующем.

Региональный прогноз удароопасности основан на построении карт сейсмической активности в изолиниях, совмещенных с планами горных работ масштабов 1:2000, или 1:500, или 1:200. При этом используют данные регистрации сейсмических событий за три месяца, предшествующих прогнозируемому периоду. События с энергетическим классом К≤2.5 принимают за единицу. Все события с К>2.5 соответствуют величине m_i, которую вычисляют по формуле:

где χ- угловой коэффициент графика повторяемости, выражающего зависимость количества сейсмических событий и их энергии. График аппроксимируют прямой линией в двойном логарифмическом масштабе lgN-lgE. Например, для СУБРа средняя величина χ равна 0.52.

Алгоритм построения карт сейсмической активности в масштабе 1:2000 включает следующие процедуры:

- в квадратном окне осреднения 100×100 м подсчитывают количество сейсмических событий с учетом величины m_i и относят к центру квадрата;

- смещают квадрат на 50 м в направлении одной из осей координат и считают количество событий;

- повторяя эту процедуру на всей контролируемой площади, получают значения величин приведенной (с учетом энергии) сейсмической активности по сетке 50×50 м;

- проводят изолинии равной сейсмической активности, осуществляя линейную интерполяцию при вычислении промежуточных значений.

Карты сейсмической активности строят в координатах XY (в плоскости рудного пласта) и при необходимости XY и XZ (разрезы в крест и по простиранию рудной залежи). Области, оконтуренные изолиниями со значением 1, определяют как потенциально удароопасные по возможному проявлению горных ударов. Участки шахтных полей, расположенные внутри изолиний со значением 15, рассматривают как реально опасные по динамическим проявлениям горного давления. Положение изолиний со значением 1 и 15 в конце месяца выносят на месячные планы горных работ шахт в масштабе 1:2000. На участковые планы масштабов 1:200, 1:500 наносят изолинии со значением 15. В течение текущего месяца для уточнения регионального прогноза, не позднее 10-12 числа, выносят другим цветом изменившееся положение указанных изолиний на перечисленные планы в случаях, если эти изменения привели к включению в опасные области мест ведения горных работ.

Регистрацию сейсмических событий производят путем непрерывных сейсмологических наблюдений (мониторинга) в частном диапазоне 0.1-85 Гц при помощи аппаратурно-программного комплекса «Вагран-2», состоящего из сети подземных и поверхностных точек регистрации (нижний уровень комплекса) и приемно-обрабатывающей части (верхний уровень комплекса). Сеть точек регистрации обеспечивает уверенное определение координат и сейсмической энергии явлений (толчков, микроударов, горных ударов, технологических взрывов), начиная с 10² Дж и выше. Нижний уровень включает сейсмоприемники электродинамического типа вертикальные и горизонтальные, ориентированные по сторонам света, телеметрическую аппаратуру передачи-приема сигналов, кабельные линии связи, ультракоротковолновые (УКВ) радиоканалы для передачи сигналов в пределах прямой видимости на расстояние не более 30 км. Полевой блок телеметрии состоит из усилителя, усиливающего сигнал, поступающий с сейсмоприемника, модулятора, частота которого управляется сигналом с усилителем, и смесителя, обеспечивающего уплотнение каналов для передачи по двухпроводной линии связи или радиоканалу. Оптимальным является использование на поверхностных пунктах вертикальных сейсмоприемников, а в подземных условиях - горизонтальных. Приемная часть телеметрии, установленная на сейсмостанции, представлена блоками дискриминаторов, обеспечивающих обратное преобразование частотно-модулированных сигналов в исходные сигналы сейсмоприемников. Квазисинусоидальные сигналы с дискриминаторов поступают на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АПЦ), входящего в состав персонального компьютера (Pentium), где оцифровывается в реальном времени с частотой 500 Гц. Сигналы далее фиксируются в выделенной области памяти компьютера (объемом 1 Мб) и программой «Вагран» происходит обнаружение полезного сигнала по порогово-временным критериям. При выполнении критериев сигнал записывается на дисковую память другого компьютера (например, файл-сервера) для дальнейшей обработки. Запись сопровождается звуковым сообщением. Вычисления координат сейсмического явления производят по моментам первых вступлений прямых продольных волн минимум на пяти точках регистрации, определенных с точностью не хуже 1-2 мс, при условии хорошего окружения очага данными точками. Дежурный персонал постоянно ведет обработку сейсмических событий, используя следующие методические приемы. После записи события происходит первичная автоматическая обработка сигнала:

- определение на фоне помех моментов первых вступлений прямых продольных волн по всем каналам;

- расчет координат сейсмического события с постоянной скоростью продольных волн 6000 м/с и выбор на их основе точных скоростей из специального файла;

- расчет координат с точными скоростями и определение сейсмической энергии по эмпирической зависимости, полученной для условий СУБРа:

Е_с=2.24+2.761 gτ_ср, Дж,

где τ_ср - средняя длительность записи, с.

После этапа автоматической обработки дежурный персонал производит корректировку моментов первых вступлений и скоростей с целью получения оптимальных результатов, при которых невязка в определении расстояния от источника до точки регистрации не превышает ±25 м.

Далее переходят к селекции сейсмических событий на взрывы и проявления горного давления. Последние отличаются от взрывов по знакам первых вступлений прямых продольных волн, а именно по движению точек среды в направлении источника колебаний или от него. Первый случай соответствует волне разрежения, а второй - сжатия. Взрыв характеризуется излучением в первой фазе процесса волны сжатия, а динамическое событие, связанное с действием горного давления, - волны разрежения. При образовании разрыва сплошности среды с подвижкой по этому разрыву на пунктах регистрации наблюдают квадрантное распределение волн сжатия и разрежения. Дежурный персонал, основываясь на знаках первых вступлений, расположении очага события относительно мест ведения горных работ и применяемой системе разработки, времени проявления в технологическом цикле, сведениях с шахт о взрывах с зарядом 50 кг ВВ и более, принимает решение об отнесении сейсмического события к взрыву или проявлению горного давления.

Проверка обработки всех сейсмических событий за сутки производится утром начальников отдела АСКГД и инженером-геофизиком. Уточненные координаты событий записывают в «Каталог сейсмических событий» и базу данных на компьютере, выносят на планы масштаба 1:2000 на сейсмостанции и сведения о них передают диспетчерам шахт, начальникам участков ППГУ и замеложения на плане изолиний 1 и 15. Цифровые сейсмограммы событий хранят на твердом носителе (дискета, лазерный диск), а результаты обработки в виде распечаток, собранных в скоросшиватели.

Для системы регионального контроля используют пакет прикладных программ, позволяющий решать задачи:

- определения координат и сейсмической энергии событий (программа «Обработка»);

- ведения каталога событий (программа «Каталог»);

- построения карт сейсмической активности (программа «Карта РП»);

- определения механизмов очагов, ведение каталога механизмов и его анализ (программа «Механизм»);

- построения карт очагов (Программа «Карта очагов»);

- статистического анализа сейсмической активности при различных начальных условиях с построением графиков и таблиц (программа «Анализ»);

- построения сводных таблиц за различные интервалы времени и по разным участкам контролируемого массива горных пород (программа «Сводка»);

- построения карт достоверности регистрации (программа «Достоверность»).

В пределах шахтных полей построение сети осуществляется с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического пункта. Под реальной чувствительностью понимают радиус сферы (R_s), в пределах которой сейсмический пункт регистрирует событие заданной энергии. Условием уверенного определения момента первого вступления считаем трехкратное превышение амплитуды сигнала над амплитудой помехи: A≥3А_пом. Для условий СУБРа радиус реальной чувствительности определяют по эмпирической формуле:

где Е - сейсмическая энергия события в Дж, а - амплитуда помехи в 10^-7 м/с, и составляет величину порядка 800 м для событий 10² Дж. Пункты регистрации сети оборудуют в доступных подземных горных выработках и на поверхности при условии перекрытия радиусов реальной чувствительности минимум от пяти пунктов и максимально возможном разносе точек по координатам X, Y и Z для наилучшего окружения контролируемой области.

Для расчета координат необходимо знать скоростное строение контролируемого массива горных пород. Скорости определяют по специальным взрывам с передачей отметки момента взрыва, уточняют по явлениям с известными координатами (взрывы, горные удары) и по результатам массовой обработки событий из одного района. Контролируемые шахтные поля разбиты на отдельные участки с определенным набором скоростей и сведены в файл, используемый при расчете координат. Для определения скорости продольной волны на гипоцентральных расстояниях 300-2000 м можно использовать эмпирическую зависимость:

V_p=5459(0.01R-1)^0,05, м/с,

где V_p - скорость продольной волны, R - расстояние от источника до приемника. Для СУБРа скорости V_p лежат в интервале 5000-6500 м/с. Погрешность определения координат во внутренних точках сети составляет порядка ±25 м. Очаг реально не является точкой и чем больше энергия в очаге, тем больше его размеры. Для оценки размера очага при различных его формах используют следующие эмпирические формулы:

r=1.85E_c ^0,186, м (сфера);

L=2.9E_c ^0,24, м (плоскость);

W=2.0E_c ^0,21, м (плоскость),

где Е_с - сейсмическая энергия события, r - радиус сферы, охватывающий зону неупругих деформаций, L - длина разрыва, W - ширина разрыва.

Энергетической характеристикой события является сейсмическая энергия или та часть полной потенциальной энергии очага, которая приходится на образование упругих колебаний и их распространение в массиве горных пород.

Для массива горных пород Североуральского региона она не превышает первых процентов от полной энергии и чем больше энергия, тем выше доля сейсмической энергии. Для вычисления сейсмической энергии используют формулу:

где R - гипоцентральное расстояние, м; ρ - плотность среды (2650 кг/м³); V_p,V_s - скорости продольной и поперечной волн, м/с; А_р, A_s - средние амплитуды скорости колебаний в продольной и поперечной волнах, м/с; τ_р, τ_s - длительность цуга колебаний в продольной и поперечной волнах, с.

Вычисления проводят по всем точкам на гипоцентральных расстояниях не менее 500 м, суммируют и берут среднее значение. Вместо энергии в джоулях можно использовать понятие энергетического класса K=lgE_c.

Для оценки взрывного эквивалента динамических проявлений горного давления используют империческую зависимость вида:

lgEc=-0.43+1.761gQ,

где Q - взрывной эквивалент в кг ВВ.

Для событий с квадрантным распределением знаков первых вступлений вычисляют так называемый механизм очага, а именно положение в пространстве (азимут простирания и угол выхода) двух возможных плоскостей подвижки и направления действия главных напряжений. Выбор плоскости подвижки осуществляют с привлечением дополнительной геологической информации о наличии ослабленных зон (тектонических разрывов, плоскостей напластования и т.п.). По событиям с достоверной обработкой механизмов очагов ведется каталог на компьютере. Эти данные позволяют оценить поле напряжений в контролируемом массиве горных пород, его изменения в пространстве и во времени, активность разрывных нарушений в связи с ведением горных работ и подвижность различных структурных блоков Североуральских бокситовых месторождений.

Способ регионального прогноза удароопасности массива горных пород по сейсмологическим наблюдениям, включающий регистрацию сейсмических событий путем мониторинга с помощью сети сейсмоприемников, установленных в пределах шахтных полей с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического пункта, вычисление координат и сейсмической энергии событий по моментам первых вступлений прямых продольных волн, определение «механизмов» очагов, построение карт сейсмической активности в изолиниях, отличающийся тем, что участки шахтных полей, расположенные внутри изолиний со значением 15, рассматривают как реально опасные по динамическим проявлениям горного давления, для событий с квадрантным распределением знаков первых вступлений определяют положение в пространстве плоскостей подвижки, оценивают направления действия главных напряжений в контролируемом массиве горных пород, причем для оценки взрывного эквивалента динамических проявлений горного давления используют зависимость вида:

lgE_c=-0,43+1,761gQ,

где Е_c - сейсмическая энергия событий;

Q - взрывной эквивалент взрывчатого вещества, кг.