Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Применение сейсмического метода для оценки и прогноза напряженного состояния в подземных выработках хибинского массива

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Применение сейсмического метода для оценки и прогноза напряженного состояния в подземных выработках хибинского массива"

Ленинградский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции • и ордена Трудового Красного Знамени Горный институт

имени Г.В.Плеханова ..... ...

На правах рукописи

ИВАНОВ Георгий Алексеевич

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ХИБИНСКОГО. МАССИВА_

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

-------------------------------- А в т ореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ленинград

1991

Рабода выполнена в Геологическом институте ордена Ленина Кольском научном центре Академии наук СССР.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник ПАВЛОВСКИЙ Виолен Иосифович*

Официальные оппоненты- доктор геолого-минералогических наук

ВОРОНКОВ Олег Константинович

кандидат геолого-минералогических наук ГОНЧАРОВ Алексей Геннадьевич

Ведущее предприятие - Всесоюзный научно-исследовательский

институт Маркшейдерии и Горного дела

(ШИШ)

Защита диссертации состоится "" О^1991 г. в час.ЗО мин, на заседании специализированного совета Д.063.15.02 в Ленинградском горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Ленинград, 21-я линия, д.2, ауд. 7320.

С диссертацией можйо ознакомиться в библиотеке Ленинградского горного института. ^

Автореферат разослан "7 " 1991 г.

Ученый секретарь

специалйЬированного совета, ¡ц <

доцент. '' № * *Г.Н.Шаблинский

с

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, -Дальнейшее укрепление и расширение мине-ально-сырьевой базы страны связано не только с вовлечением в экс-луатации новых месторождений, но и повышением эффективности уже ействующих.

Одним из основных поставщиков фосфатного сырья в СССР является роизводственное объединение "Апатит", ведущее добычу апатито-не-елиновых руд в карьерах и рудниках Хибинского массива.

Специфической особенностью этих рудников является масштабность обычных выработок (многие сотни метров), наличие горизонтальных апротений(до 10 и более раз превосходящих вертикальные и горные дары. Эти природные феномены при интенсивной добыче и углублении оризонтов приводят к усложнению горно-технической обстановки, су-гственно влияют на эффективность извлечения полезного ископаемого главное,- - на безопасность труда горняков.

Научной базой использования скоростей упругих волн для оценки шряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород явились эзультаты теоретических и практических исследований в шахтах и рудяках, при гидротехническом строительстве и инженерно-геологических зысканиях, выполненных МГУ, шГЛ, И<йЗ, ВНММЛ, "Гидропроект", ГоМ ■Щ АН СССР и др. организация»®.

Разработанные и применяемые при этом ультразвуковые и сейсмо-сустические методы используют преимущественно частоты от 1000 Пд ) сотен КПд, т.е. характеризуют свойства массива в окрестности от-гльных шпуров или участки выработок в первые метры - десятки мет->в. при этом выяснилась зависимость результатов, полученных в от-гльных точках, от конкретных геолого-тектонических условий. На су-¡ствугощих площадях рудного поля в Хибинских рудниках это требует ¡бо постановки статистически значимого количества наблюдений - до-1Гостоящих и трудоемких - или - априорно полагать- адекватность юйств изученных локальных участков значительным площадям неиссле->ванного массива.

Специфика использования сейсмики заключалась в соразмерности ин-•рументальной методики масштабу исследуемого объекта.

Предпосылки этих исследований основывались на локальных измере-1ях НДС, выполненных сотрудниками ГоИ КНЦ АН СССР в горных выработ-,х, и на данных региональных наземных сейсмических исследованиях Хибинском массиве и породах его обрамляющих (ГИ КНЦ АН СССР и ЦК 1СШ. При сопоставлении их был сделан вывод о практической близос-

ти направления большой оси эллипса модальный значений скоростей упругих волн по ультразвуковым данным направлению максимальной оси анизотропии скоростей сейсмических волн на базах от "первых до многих десятков километров. Это стимулировало развитие нового этапа исследований НДС крупных блоков пород в условиях подземных рудников, начатых при участии автора.

Актуальность' работы определялась требованием практики в необходимости опережающего контроля НДС крупных площадей рудного поля (400x1000 м) еще на стадии подготовки горизонтов к их последующей отработке для характеристики участков массива, где еще нет горных выработок,« корректировки объемов и местоположения последующих горнотехнических методов исследования.

Црль работы - разработка техники и методики многоволновой сейс-мики для оценки напряженного состояния горных пород и прогноз характера его изменения в нетронутый массив.

необычные условия измерений во внутренних точках среды, интенсивные техногенные помехи, базы наблюдений, достигающие 1000 м, потребовали решения ряда технико-методических задач, связанных с проведением, обработкой и интерпретацией данных.

Задачи исследований. I. Разработка оптимальных условий возбуждения и приема упругих колебаний различного типа (Р и 3 волны) в условиях действующих рудников; 2. Исследование кинематических и динамических характеристик многоволновых полей в геолого-тектонических условиях Хибинский рудников; 3. Наделение и типизация по комплексу свойств и параметров зон повышенных напряжений по латерали и вертикали, прогноз их местоположения на невскрытые еще горизонты месторождения.

Исходный материал и личный вклад автора. В работе использованы данные сейсмических исследований, выполненных в Хибинских рудниках лабораторией региональной геофизики Геологического института КйЦ АН СССР. На всех этапах работ - составление научных программ, натурных наблюдений, обработки и интерпретации материалов, научных отчетов - автор принимал непосредственное участие в качестве ответственного исполнителя.

Научная новизна. Разработана методика объемной многоволновой сейсморазведки, включающая пространственное профилирование, просвечивание в вертикальной и горизонтальной плоскостях, поляризационные наблюдения для оценки направления и уровня действующи;: в массиве напряжений. Обоснована технология воэоуждения ? и 5 волн с помощью специального камуфлета, »¡сследована структура волновых полей в тектонически напряженном массиве при использовании длин волн,преЕЫша-4

ющих периметр горных выработок (Я>1,). Построены карты и схемы распределения упругих свойств по латерали и вертикали месторождения.

Установлено наличие вертикального градиента скоростей упругих волк и. дан_прогноз напряженном еостояния_пород на подготавливаемый к отработке новый добычной горизонт.

Практическое значение. Разработанная методика сейсмических наблюдений в подземных рудниках позволяет оперативно оценивать уровень напряженного состояния на базах соответствующих масштабу действухь-дих добычных горизонтов (400x1000 м), осуществлять опережающий прогноз участков и зон,опасных по вредным проявлениям горного давления, ювышая тем самый эффективность добычных работ и безопасность тру-;а горняков.

Реализация работы в промышленности. Результаты сейсмических аблюдений на различных рудниках и горизонтах Хибинских и ¿овозер-:ких месторождений оперативно входили составной частью в рекомендации по проектированию, безопасному ведению горных работ, составлении аспортов отработки отдельных блоков и разведуемых для вскрыши глу-оких горизонтов КоайВинского месторождения.

Апробация работ. Основные результаты работы докладывались и < бсуждались на региональном совещании "Петрофизические исследования арело-Кольсксго региона" (Петрозаводск, 1979); Всесоюзном сове-1нии "напряженно-деформированное состояние и устойчивость скальных тонов и бортов карьера" (арунзе, 1979); Всесоюзном семинаре "Фи-«еские свойства пород в массиве (Новосибирск, 1980); Всесоюзной шференции "Природа и методология определения тектонических напряже-:й в верхней части земной ксрк" (Апатиты, 1980); УЛ Всесоюзной конвенции ВУЗов СССР (Москва, 1981); НТС по горкой геофизике (Ткибу-;, 1961; Сухуми, 1983; Батуми, 1985); Всесоюзной конференции "Оп-деление параметров напряженного состояния в массиве горных пород мплексом натурных методов" (Новосибирск, 1982); Всесоюзной конфе-нции "исследование, прогноз и контроль проявлений горного давле-я" (Ленинград, 1982); ¡международном симпозиуме "¡Ьмеряемые поля методы в геомеханике" (Цюрих, 1983); Всесоюзном симпозиуме "Текто-ческие осноеы и инженерно-геологические аспекты изучения напряженно состояния пород при разработке и эксплуатации месторождений" 23титы, 1Э84); Всесоюзном совещании "многоволновая сейсморазведка" эвосибирск, 1985); Всесоюзной конференции по инженерной геологии ^еофизике (Солнечногорск, 1985); !1 Международном рабочем совеца-1 "Сейсмическая анизотропия. Результаты. Проблемы. Возможности" юква, 1986), а также на ряде производственных НТС ПО "Апатит" и юэерском ГОКе.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 146 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 8 таблиц , список использованных источников из 147 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Особенности геологического строения, физических свойств

и напряженно-деформированного состояния горных пород Хибинского массива

Основные черты геологического строения освещаются по монографическим работам Ф.М.Снохина, 1976; А В.Галахова, 1975; Т.Н. лвановой, 1963.

Хибинский щелочной массив герцинского возраста представляет собой многофазный интрузив центрального типа. От переферии к центру сменяют друг друга массивные и трахитоидные хибиниты, ийолит-урти-ты и, связанные с ними, апатито-нефелиновые руды, рисчорриты, нефелиновые сиениты и фойяиты. Все комплексы рассечены концентрическими и радиальными тектоническими нарушениями различной мощности и глубины заложения.

Главнейшие месторождения апатито-нефелиновых руд пространственно и генетически приурочены к конической интрузии ийолит-урти-тов, мощностью 30-500 м, падающей под углом 20-40° к центру массива и прослеженной-до глубины 1.0-2.5 км. Основными породообразующими минералами являются апатит, нефелин, полевой шпат, сфен, эгирин и титаномагнетит. .Содержание этих минералов и текстурно-структурные особенности определяют основные типы руд — линзовидно-полосчатые, пятнистые, сетчатые, крупно- и мелкоблоковые.

Объекты сейсмических наблюдений - Кукисвумчоррское и Ккспор-ское месторождения (рудник им. С.М.Кирова и "Шспорский"). Исследованные орты и штреки различных горизонтов этих рудников находятся на глубинах 100-600 м от поверхности. Куполение, шелушение и стреляние пород в них может достигать Х0О их площади.

По мере углубления добычных горизонтов участились случаи горных ударов (А.С.Кров, В.М.Тряпицин, Ю.Н.шатов, 1985, 1989). ¡многолетние работы сотрудников Горного института КНЦ АН СССР (И.А.Турчанинов, Г.А.парков, А.А.Козырев и др., 1972 - по настоящее время) позволили получить широкое представление о состоянии отдельных блоков массива, в аспекте настоящей работы следует отметить следующие моменты. Шявлен сложный неоднородный характер уровня (20-о0

МПа) и направления действующих тектонических напряжений в пределах отдельных рудников, горизонтов и выработок. Наиболее прочными, обладающими высоким модулем упругости, Е=(6.5-8.5).10^ МПа, являются вмещающие породы. Плотность пород, по мере роста содержания темноцветных минералов, увеличивается от вмещающих,^ =2.65-2.70 г/см3, к рудам, р =_2.70-3.20 г/см3. Зтим объясняется существенное'перекрытие диапазонов изменений р -Е и "О -Е для руд и вмещающих пород, Нацелены четыре основные системы крупноблоковой (первые десятки метров) и четыре мелкоблоковой (первые метры) трещиноватости. Пространственная ориентировка их близка между собой и охватывает практически диапазон от 0 до 360°. Углы падения 30-75°. веющиеся материалы о скоростях упругих волн, по литературным источникам, а также собственные исследования скоростей Р и Э волн на образцах пород, отобранных из точек сейсмических наблюдений, показали отсутствие масштабного эффекта в сейсмоакустическом (Е.С.Ватолин, В.И.Панин л др., 1977) и ультразвуковом диапазонах, а также близкие значения акустической жесткости пород и руд, их неоднородность и анизотропность .

Геолого-структурные особенности строения, диапазон изменения физических свойств и трещиноватости массива, близость акустической кесткости пород и руд позволяют рассматривать модель условно напря-кенного массива как "мутную среду" (Н.А.Караев, А.Л.Ронин и др., 1983, 1987), обладающую элементами неоднородности и анизотропности.

Упругая модель этой среды,по данным ультразвуковых исследоза-№й на образцах пород представляет собой эллипс, большая ось которого зытянута в субмеридиональном направлении и соответствует общему протиранию геологических структур. Отсюда анизотропия скоростей упругих волн условно разгруженного массива определяется петро-структур-1ыми сосбенностями и вещественным составом пород. С другой стороны, шогообразие петро-структурных типов пород, предопределяющее измен-швость их упругих свойств при наличии тектонических напряжений, юадекватно будет изменять их НДС.

Эти обстоятельства потребовали разработки методики наблюдений, обработки и интерпретации сейсмических исследований.

2. Разработка техники и методики сейсмических

наблюдений в действующих рудниках

Ряд общих и специальных вопросов методики сейсмических наблюдений при решении задач, связанных с проблемами горных работ, гид-ютехнических, инженерно-геологических и др. изысканий, получил от-

ражение в работах А.С.Бляхмана, Е.С.Ватолина, Б. 111. Винокура, O.K. Воронкова, В.Т.Глушко, Н.Н.Горяинова, В.И.Коптева, Ф.М.Ляховицкого, В.И.Мячкина, В.Н.Никитина, И.М.Петухова, В.М.Проскурякова, В.В. Ржевского, А.И.Савича, В.С.Ямщикова и др. исследователей.

Конкретика и специфика сейсмических наблюдений в действующих рудниках заключалась в следующем.

Шахтные измерения осуществлялись в частотном диапазоне 20-200 ftj (СМП-24Ю на базах от 100 до 1000 м с шагом 10 и 25 м. Сейсмо-приемники СВ-30 на специальных штырях устанавливались в почву, под-бурки встенках и кровле выработок. Конструкция поворотных штырей позволяла регистрировать х, у и z компоненты без изменения акустических контактов "датчик-массив". Возбуждение упругих волн осуществлялось взрывами в специальных шпурах и скважинах.

Основными осложняющими факторами в действующих рудниках являются: нахождение регистрирующих установок и пунктов возбуждения (ПВ) упругих волн внутри изучаемой среды и наличие интенсивных, нестабильных во времени и •пространстве механических и электрических помех техногенного происхождения. Уровень этих помех на многих участках исследований оказался соизмеримым или выше уровня полезного сигнала.

Получение- первичного материала, пригодного для дальнейшего анализа и интерпретации, достигалось поэтапным осуществлением технико-методических приемов, включающих: создание стабилизированного источника Р и S волн, представляющего устойчивую сферическую полость, посредством использования специального камуфлета; подавление волн-помех посредством суммирования и последующей разночастотной фильтрации нескольких первичных записей из одаого стабилизированного ПВ; повышение разрешимости и надежности выделения Р и S волн посредством "У" возбуждения и последовательного группирования "У+Z" компонент упругих волн при регистрации.

Особенностями сейсмических наблюдений являлись: профилирование на разных горизонтах, просвечивание в горизонтальном и вертикальном объемах блоков пород, азимутальные и 3-х компонентные наблюдения. Используемый методический комплекс обеспечивал получение кинематических и динамических упругих характеристик в объеме исследуемого массива.

3. Характеристика зарегистрированных волновых полей, их обработка и интерпретация

Основными факторами, формирующими поля упругих волн в горных зыработках, являются: специфика источника возбуждения, приконтурная щрушэкная зона и зона повышенных напряжений, а также соотношение течения выработки (1Шг)_к_длине-волны-(Д ).-------------------------------------

Лспользуемый нами источник представлял сферическую полость. В реальных средах такой ПВ создаст неоднородность среды и формы. Пер-зая связывается с появлением трещиноватой градиентной зоны, вторая зпределяется текстурно-структурными особенностями пород и их НДС. 1ри отсутствии центральной симметрии на границу сферической полости ;ействует не только радиальное давление, но и система касательных :ил, вызывающая сдвиговые колебания (Дк.Уайт, I960; В.С.Ямщиков, [984; Н.Н.Пузырев, 1985). Записи упругих волн, полученные в процессе разработки и эксплуатации реального ÜB, подтвердили появление и госледувщее существование разрушенной градиентной зоны вокруг источ-шка. Формирующиеся при этом поля упругих волн являются аналогами 1рямых квазипродольных и квазипоперечных волн. Это нашло подтвержде-ше в результатах наблюдений, осуществленных по периметру выработ-си - в почве (+Zn'>. стенке (ус) и кровле (-ZK), выразившееся в сов-идении времен прихода волн к каждой группе и различии поляризаций ♦Яд и -2К компонент. Анализ спектров Р и 5 волн показал близость ix частотных характеристик (что не противоречит теории и подтверждается наземными исследованиями в Хибинском массиве, Н.А.Караев, А.Л. 3онин и др., 1983, 1387) и динамическую их устойчивость при удалении ;о 1100 м (понижение частоты 1сЮ. Это свидетельствует о слабых поглощающих свойствах массива (вне его дислоцированных зон), близкого с свойствам идеально-упругого тела. Последнее обстоятельство позво-1яет через Vv, и Vj перейти к упругим параметрам среды - модулю Кнга ',&) и коэффициенту поперечных деформаций (Пуассона, S) ). нриконтур-1ая зона (0.3-2.0 м) и полость выработки (R = 1.5 м) не должны ис-сажать поля упругих волн, зона "захвата" которых ( приД= 30-60 м) «ожет достигать нескольких десятков метров. Следовательно, они характеризуют свойства и состояние нетронутого массива.

При обработке и интерпретации волновых полей в слоистой неоднородной по составу и НДС среде потребовалось рассмотреть ряд факторов, реальность которых очевидна, а учет возможен. Разделение эффектов «однородности и анизотропии при просвечивании блоков достигалось ^пользованием нескольких соосных IIB. Обработка велась по методике, ¡редложенной А.М.Епинатьевой и М.В.Невским. Для исключения субъек-

тивности. при анализе и интерпретации данных .профилирования, предложен способ осреднения интервальных значений приращения времен (Д23 )» отличающийся от известных (В.Н.Никитин, 1981) различным "весом" 3, 4 или более й.Ь , входящих в "скользящее окно". Нами использовался интервал осреднения в 75 м, шагом 25 м. Результаты практической проверки подтвердили эффективность его использования для неоднородных слоистых сред.

Динамические характеристики волновых полей (поляризационные наблюдения) показали, что 3 -колебания, в общем случае, близки к волнам типа БН. Симметричный характер максимальных значений амплитуд Р-волн вдоль простирания геологических структур и вкрест их, в рудной толще и вмещающих породах, близкий к направлению действия тектонических и палео-напряжений, свидетельствует о преимущественном их вкладе в динамику упругих волн.

4. Упругие характеристики крупных блоков горных пород и оценка их напряженного состояния по латерали и вертикали

В качестве объектов исследования выбраны Кировский и ЮнспорскиЯ рудники - основная рудная база подземной добычи. Годные поля горизонтов, расположенных на различных гипсометрических уровнях, ограничены штреками и рассечены системой ортов. Игреки проходят преимущественно по вмещающим породам, орты - по рудам.

Относительно густая сеть исследованных взаимно увязанных выработок, расположенных вдоль простирания рудной залежи и вкрест ее, позволила построить графики и карты распределения АЛ > Е и V по ним. Расположение•выработок на различном уровне по вертикали, площадные наблюдения в горизонтальной плоскости, дополненные скважинными ниже самого глубокого действующего горизонта, позволили получить объемное представление о характере и особенностях НДС горных пород указанных месторождений. Методологически цель исследований достигалась комплексным анализом данных - профильных наблюдений, особенностей статистического распределения скоростей в рудах и вмещающих породах, просвечивания в горизонтальной и вертикальной плоскостях и характера вертикального градиента в массиве, с учетом данных других независимых геомеханических и геофизических методов.

Анализ интервальных значений упругих характеристик и параметров по отдельным выработкам и карт изолиний их по всему горизонту позволяет сделать ряд общих выводов.

Отмечается широкий диапазон их изменения (например, 4.67.5 км/с). Обнаружены значимые колебания скоростей в однотипных по составу, наиболее монолитных уртитах. При общей вытянутости изолиний вдоль простирания структур не обнаруживается их связь с геологическими границами различных типов_пород._Во вмещающих породах и руд- — ной толще отмечаются ряд локальных участков и зон, секущих общую структуру месторождения. Эти аномальные зоны, мозаично расположенные по всему горизонту, отражают различие в НДС пород и могут быть типизированы по значениям их упругих свойств и параметров.

Для этого по всем исследованным выработкам по V , Vs , Ей"? для каждого 25-метрового интервала составлены генеральные выборки и построены вариационные кривые для всей совокупности рудных и безрудных интервалов. Общее количество интервалов - 166, рудных - 74, без-руднкт - 92. Распределения V- имеет двумодальный правосимметричный характер с максимумами в интервалах 5.25-5.50 и 5.8-6.1 км/с: Vs -осложненная мономодальная кривая с левосторонней ассимметрией, модальное значение - 3.15 км/с; Е - симметричная мономодальная кривая (7.5-10^ МПа); ^ - бимодальная, 0.21 и 0.31, симметричная кривая для всех выборок.

Мономодальность и существенное подобие общей, рудной и безрудной выборок для других распределений позволяет сделать вывод о преобладающем влиянии не вещественного состава пород, а особенностей НДС массива.

Горизонт +252 м, в соответствии с принятой схемой отработки, разделен на три блока: южный, центральный и северный. Во всех этих блоках, с различной степенью детальности, выполнено просвечивание на уровне горизонта и из скважин. Результаты определения скоростей представлены в виде индикатрис Ур и Vs волн, отнесенных к центру исследуемого участка. Общий диапазон изменения для Vp = 4.8-7.2 км/с, Vs = 2.5-4.0 км/с. Характер индикатрис Vp и Vs волн имеет ряд повторяющихся максимумов. В основу интерпретации их положены следупцие положения: выделенные направления (азимуты, А) по разнице максимальных и минимальных значений превышают погрешность наблюдений; выделенные "А" с отклонением +10-15° проявляются через 180°. Результаты анализа индикатрис в разных блоках позволяют сделать следупцие выводы.

Северный блок характеризуется одним ярко выраженным Aj = 55-65°. Это направление близко соответствует максимальным значениям сжимающих горизонтальных напряжений, действующих субортогонально слоистости пород.

Центральный блок проявил существенную неоднородность, выразившуюся в разрывах индикатрис с разных ПВ по близким направлениям.

Однако А^ присутствует.

В южном блоке, помимо Ар выделяются = 125° - совпадающий с направлением простирания крупных зон шпр^уштейнизации и с одной из систем крупноблоковой трещиноватости, и Ад = 335°+10°, направление которого близко к общему простиранию геологических структур и одной из систем трещиноватости. Характерным для южного блока является увеличение Ур и \/э по всем трем А с глубины 100 ы. Таким образом, если А£ и Ад объясняются геологическим строением и трещиноватостью массива, то существование А| вызвано действием тектонических напряжений и приводит к появлению наведенной анизотропии упругих свойств.

Совместный анализ сейсмических материалов по гор. +322 и, 252 м и скважин, расположенных ниже уровня гор. +252 м, позволил установить ряд зажных в методологическом и практическом аспектах закономерностей. Выделенные на гор. +322 м аномальные зоны Ур, Уг , £ и ^ обнаружили четкую связь с аналогичными по гор. 252 м, но смещенные друг относительно друга в соответствии с направлением лежачего контакта рудного тела. Относительный характер аномалий похож на обоих горизонтах, но с глубиной обнаруживает общий рост значений упругих свойств & параметров, их характеризующих. При всей многофакторности причин (геолого-тектонических, техногенных и т.д.), вызывающих их появление, можно утверждать, что в общем случае, эти зоны наследуются геолого-структурными особенностями пород. Вертикальный рост скоростей в массиве при этом, от уровня гор. +460 и (Юкспорский рудник) до отметки +152 и (Кировский рудник), оценивается в 0.8 км/с (5.60-6.40) для Ур и 0.4 км/с (3.10-3.50) для Уя , при общей тенденции уменьшения величины градиента с глубиной.

Оценка и прогноз напряженного состояния горных пород по латера-ли и вертикали осуществлялся в два этапа: I - просвечивание блоков пород с определением направления действия и уровнем напряжений в юле; 2 - детализация участков и зон повышенных напряжений по картам изолиний Ур, Ув , £ и ^ и прогноз их в нетронутый массив.

Преимущественный вклад напряжений в формирование наведенной анизотропии упругих свойств позволил разработать и предложить способ количественной кх оценки. Он основан на сопоставлении величин средних скоростей (Ур) и средних напряжений (б" ) на десяти равных интервалах азимута измерений в пределах 0-90°.

Использование корреляционного уравнения для северного, центрального к южного блоков дало качественно сопоставимые результаты с данными горнотехнических измерений. Однако, величины напряжений оказались заниженными приблизительно на 10-15 Ша. Это объясняется тем, чтсР

данные горнотехнических измерений отражают свойства ненарушенных, преимущественно вксоконапряженных участков в том или ином блоке,

тогда как наши - весь блок в целом - с зонами пониженных напряжений,

трещиноватости, тектонических нарушений. Наиболее эффективно пред-_________________

лсженкое ураЕН-экке может быть использовано в однородных, слабодисло-цированных блоках массива.

Методологическая основа второго этапа базируется на следующих положениях. I - зоны повышенных Vs и Е отражают концентрацию напряжений в них; 2 - величина напряжений в таких зонах выше средней, полученной по данным горнотехнических измерений для этой области массива; 3 - выделенные зоны прогнозируются на нижележащий горизонт с учетом геолого-структурных особенностей пород н положительного зертикального градиента; 4 - наиболее опасными по степени проявления и реализации повышенных напряжений считаются участки, расположенные вблизи зон тектонических нарушений.

Для гор. +252 м выбраны два уровня повышенных значений упругих свойств и параметров: 1-й - вше среднестатистических и 2-й - близкий к их предельным значениям. Построены карты их распределений на исследуемом горизонте и дан прогноз на подготавливаемый к отработке нижележащий.

Сопоставление данных сейсмических исследований с другими независимыми геомеханическими и геофизическими методами, выполненное на ряде участков комплексных наблюдений, показало удовлетворительную их сходимость. Это позволило увязать, распространить и детализировать зоны повышенных напряжений по площади всего горизонта, а также выявить ранее не известные кз них.

Б рамках комплексных работ по оценке НДС и ударо с пас но ет я пород, практические результаты сейсмических исследований внедрены з Мурманское ГРЭ и ка Кировском руднике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б результате выполнения исследований по теме диссертации получаны следующие основные результаты и выводы.

I. Разработаны и используются специальные способы возбуждения,

регистрации, ооработки и интерпретации данных объемно? многоволновой ¿ейсмики з условиях интенсивных техногенных помех дейстзугщнх рудников.

С- гзгмстзируемые упругие волны отождествлены -чая прямые явази-прсдсльные и квазипоперечные, распространяющиеся в нетронутой массиве. Зто подтверждается рядом установленных фактов:

- незначительной рефракцией вглубь массива,-

- отсутствием винтовых волн;

- стабильностью частотных спектров упругих волн при удалениях от пункта взрыва на десятки и сотни метров;

- зависимостью амплитуд продольных и поперечных волн, регистрируемых на азимутальных и разнокомпонентных установках при изменении направления возбуждения или приема упругих колебаний.

3. Установлено существенное изменение скоростей упругих волн, связанных с действием субгоризонтальных сжимающих напряжений, что подтверждается:

- превышением или равенством скоростей в массиве по сравнению с образцами;

- значимыми колебаниями скоростей упругих волн в однотипных по пет-рографическоцу составу блоках пород;

- превышением или равенством значений сейсмических скоростей упругих волн в массиве вкрест слоистости над значениями вдоль нее в породах, обладающих "нормальной" упругой анизотропией.

4. Качественное совпадение инструментальных и сейсмических данных позволяет считать многоволновую сейсмику составной частью комплекса горно-механических и геофизических методов, используемых для внедрения эффективных систем отработки месторождений на ранних стадиях его освоения, оценки и прогнозирования характера напряженного состояния на подготавливаемых новых добычных горизонтах, блоках и выработках.

В диссертационной работе защищаются следующие основные положения.

I. Разработан.комплекс техники, методики наблюдений, приемов обработки и анализа многоволновой сейсмики, включающий:

- возбуждение продольных и поперечных волн с использованием специального камуфлета;

- подавление техногенных помех и улучшение соотношения "сигнал -- помеха" посредством суммирования и последующей разночастотной фильтрации нескольких отдельных возбуждений;

- использование поляризационных, рефрагиругацих и частотных характеристик упругих волн для определения кинематических и динамических особенностей волновых полей в неоднородной, анизотропной, сложно-напряхенной среде;

обеспечивает надежную регистрацию прямых квазипродольных и квазипоперечных волн на базах до 1000 м в условиях действующих подземных рудников Хибинского массива.

2. Комплекс пространственных профильных наблюдений, просвечивания в горизонтальной и вертикальной плоскостях позволяет осуществить районирование крупных блоков пород рудного поля по их сейсмическим характеристикам и ввделить участки и зоны, отличающиеся по уровню напряженного состояния дорных пород.________________________________________________

3. Выделенные участки и зоны повышенных напряжений наследуются геолого-структурными особенностями месторождения, что позволяет выполнить пространственный прогноз их местоположения в нетронутый массив.

По теме диссертации опубликованы:

1. On correlation bev.veen seismic velosiiy an.i3otrcpy and stresses in situ / I.A.fflxurchaninov, V.I.Panin, G.A.Markov, V.I.Pavlovaky, li.V.Sharov, u.A.Ivanov // Piire and Applied Gecphy-ics, 1i5T7, vol.155, ii 1-2 , Spec.Issue.Stres3 in "the Sarth, p.259-265.

2. Определение упругих параметров горных пород в естественном залегании (В.И.Павловский, Г.А.Иванов). Петрофизические исследования Карело-Кольского региона. - Петрозаводск, 1979, с. I7I-I76.

3. О возможности оценки напряженного состояния массивов скальных пород сейсмическими методами (В.Н.Бакулин, Г.А.Иванов, А.В.Ловчиков,

B.И.Павловский, Г.Д.Панасенко // Напряженно-деформированное состояние и устойчивость скальных склонов и бортов карьеров. Фрунзе, 1979, с. 41-49.

4. Строение верхней части земной коры по данным сейсморазведки MOB на участке Салмагора-Хибинский массив Д.А.Иванов // Методика и результаты геофизических исследований северо-восточной части Балтийского щита, Апатиты, I960, с. 37-47.

5. Применение сейсмических исследований при оценке напряженного состояния горных пород /В.И.Павловский, Г.А.Иванов, Б.И.Берман,

C.Н.Рубинраут // Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. - М., 1981, с. 42.

6. К оценке напряженного состояния горных пород по изменению модуля упругости, определяемого сейсмическим методом /В.И.Павловский, Г.А.Иванов, Б.И.Берман, С.И.Рубинраут // Физические процессы горного производства. - Л., 1982, Вып. 10, с. 70-72.

7. Определение напряженного состояния массива на глубоких горизонтах Карнасуртского рудника путем комплекса натурных методов / А.В.Ловчиков, Г.А.Иванов // Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента. - Новосибирск, 1963, с. 69-73.

8. Характер напряженного состояния пород на руднике Юкспор по сейсмическим данным / В.И.Павловский, Г.А.Иванов // Природа и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. - Апатиты, 1962, с. 120-126.

9. Fielü Determination of Tectonic Stress in Rock Massifs to Predict Rock Pressure in Kola Mines // G.Markov, A.Kosyrev, V.Panin, O.Ivanov, V.Pavlovsky. // Field Measure lie an a in Geomechanics (Abstracts), Zurich, Switzerland, 1983, p.79-80.

10. К вопросу использования соотношения модуля упругости и коэффициента Цуассона, определенных по сейсмическим данным для оценки характера напряженно-деформированного состояния пород в массиве

/ В.И.Павловский, Г.А.Иванов, Б.И.Берман, С.И.Рубинраут // Горная геофизика. - Ибилиси, 1983, с. 27.

11. Определение направления действия тектонических сил в неоднородных и анизотропных массивах горных пород методом сейсмического просвечивания / С.И.Рубинраут, В.И.Павловский, Г.А.Иванов, Б.И.Берман // Горная геофизика. - Тбилиси, 1983, с. 28.

12. Результаты сейсмических определений свойств горных пород на апатитовых рудниках / В.И.Павловский, Г.А.Иванов, В.И.Иванов, В.И.Панин // Изучение свойств горных пород в массиве геофизическими методами. - Новосибирск, 1983, с. 103-108.

13. Об использовании анизотропии скоростей продольных и поперечных волн для оценки напряженного состояния горных пород / В.И.Павловский, Г.А.Иванов // Разведочная геофизика: теория, методика, результаты. - Киев, 1984, с. 17-22.

14. Опыт анализа упругих свойств массива горных пород для оценки напряженно-деформированного состояния / В.И.Павловский, Г.А.Иванов, Б.И.Берман, С.И.Рубинраут // Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств пород в массиве при отработке месторождений полезных ископаемых. Апатиты, 1985, с. 91-94.

15. Комплексное определение напряженного состояния горных пород на горизонте +252 м Кировского рудника / В.И.Иванов, Г.А.Иванов, ¿.А.Козырев, В.И.Пашн, В.М.Тряпицын // Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств пород в массиве при отработке месторождений полезных ископаемых. - Апатиты, 1985, с. 87-91.

16. Опыт совместного использования продольных и поперечных волн при изучении напряженного состояния горных пород в подземных выработках Хибинского массива / Г.А.Иванов, В.И.Павловский // Многоволновая сейсморазведка. - Новосибирск, 1965, с. II7-II9.

17. Прогнозирование особенностей упругого состояния горных пород в нетронутом массиве по сейсмическим данным в Хибинских апатито-нефелиновых рудниках / Г.А.Йванов, В.И.Павловский // Горная геофизика, - Батуми, 1985, с. 84. ___________________________

__18. 0__связи-анизотропии^скоростей распространения упругих волн

с действующим горным давлением / Б.И.Берман, Г.А.Иванов, В.И.Павловский, С.Й.Рубинраут, Г.С.Такачев // Петрофизика древних образований. - Апатиты, 1986, с. 84-87.

19. Особенности использования сейсморазведки для оценки упругого состояния крупных блоков горных пород Хибинских и Довозерских рудников / Б.И.Павловский, Г.А.Йванов, Б.И.Берман, С.Й.Рубинраут

// Труда Гидропроекта. - М., 1986. - Вып. 114, с. 94-103.

20. Поляризационные сейсмоакустячесхие исследования анизотропии зри изучении свойств и состояния горных пород Хибинского массива

( Г.А.Иванов, В.И.Павловский, С.Й.Рубинраут, Ф.Ф.Горбацевич // ^орная геофизика. - Тбилиси, 1987, с. II.

21. Анизотропия горных пород и массивов на разных* масштабных уровнях по данным наблюдений на Кольском полуострове / Г.А.Иванов, 1.В.Шаров, Ф.Ф.Горбацевич / П Международное рабочее совещание. Сей-шческая анизотропия. Результаты. Проблемы. Возможности. Москва, 986, с. 36.

22. Сейсмические исследования в горных выработках Хибинского ассива / В.И.Павловский, Г.А.Иванов, С.Й.Рубинраут, Б.И.Берман /

Апатиты, 1987, с, 81.

¡Автореферат

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО МЕТОДА

ДНЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ХИБИНСКОГО МАССИВА

Технический редактор В.А.ГаничеЕ

Подписано к печати II.02.91.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1.16. Уч.-изд.л. I. Усл.краско-ст. 1.16. Заказ № 44. Тираж 100 экз. Бесплатно.

Оразнг Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова АН СССР 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14