Изучение и сейсмической активности горного массива

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОЙ
И СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОРНОГО МАССИВА   

 Известно, что изменения различных свойств горных пород в зоне подготовки горных ударов проявляет себя в аномальных изменениях геофизических полей различной природы [1]. В настоящее время одной из самых важных проблем горного дела является исследование динамики напряженно-деформированного состояния горного массива, которое при горнопроходческих  работах находится в состоянии постоянного изменения и значительно активизируется в течение нескольких десятков часов после крупного массового технологического взрыва [2].
 Результаты исследований были получены на нескольких рудниках СНГ, расположенных внутри горных массивов со сложным НДС, перераспределение которого после проведения массовых  технологических взрывов, проявляется активно в виде многочисленных горных ударов в течение периода нестабильного состояния массива. Известно, что массив постоянно находится под действием как вертикальных гравитационных нагрузок, вызванных массой слагающих пород, так и под действием разнонаправленных горизонтальных тектонических напряжений. Дополнительная мощная кратковременная  всесторонне направленная нагрузка вызывает переход массива из более-менее уравновешенного состояния в возбуждённое  нестабильное состояние.

 



Рис. 1.  Схема установки регистрации электромагнитного излучения и акустической эмиссии

     Магнитные рамки для регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) и система пьезокерамических датчиков для регистрации акустической эмиссии (АЭ) были установлены в зоне пересечения системы тектонических нарушений, которая является чувствительной к изменениям напряженно-деформированного состояния массива даже вне зоны прямой регистрации электромагнитных и акустических сигналов [1]. Прием и регистрация электромагнитных и акустических сигналов проводились с помощью аппаратуры радиоимпульсного метода разведки, последующая запись квадратов их амплитуд за фиксированные периоды времени накопления с использованием анализаторов импульсов (рис.1). Одновременно записывались в аналоговой форме сигналы ЭМИ и АЭ в аналоговой форме на 2 видеомагнитофона [3].
Созданная на руднике обширная система сейсмических наблюдений, позволяла регистрировать упругие волны (до 700 гц) от динамических явлений и выделяемую ими энергию упругих волн. В результате исследований параметров полезных сигналов ЭМИ и АЭ в связи с процессами подготовки  динамических явлений, установлено, что подготовка горного удара сопровождается увеличением числа электромагнитных и акустических сигналов. При этом увеличение числа электромагнитных сигналов происходит с опережением. В это время наблюдается аномальное увеличение (в 1,5 раза и более) амплитуды высокочастотных сигналов ЭМИ (частота свыше 50 кгц) и уменьшение (в 2-3 раза  относительно фона) значений частоты спектрального максимума. Вместе с тем  происходят аномальные увеличения энергетических параметров электромагнитной и акустической эмиссий (рис.2).  Также по мере приближения момента горного удара происходят закономерные увеличения числа низкочастотных сигналов (частота до 50 кГц) и уменьшение числа высокочастотных сигналов ЭМИ.
 



Рис.2.  Аномальные  увеличения энергетических параметров сигналов ЭМИ и АЭ в связи с динамическими событиями.

С целью ретроспективного прогноза динамических событий, в ходе эксперимента рассчитан параметр эффективности прогноза горных ударов по аномалиям электромагнитно-акустической активности массива. Этот параметр представляет собой величину, указывающую во сколько раз вероятность прогноза времени возникновения горного удара по выявленным аномалиям превышает вероятность случайного угадывания:
I = (Np/Nsum)/(Tож + Тлт)/Тsum,
Где  Np – число горных ударов и их групп, предваряющихся аномалиями, Nsum – общее число горных ударов с энергией Е =1000 дж и более за время эксперимента, Тож – суммарное время ожидания событий, предваряющихся аномалиями, Тлт – суммарное время ложных тревог, Тsum – период времени проведения всего эксперимента [3]. Было отмечено возрастание расчетного параметра I в 2 и более раза для показателей электромагнитно-акустической активности с увеличением числа горных ударов с энергией 1000 дж и больше, удаленных на расстояние не более, чем на 200 метров от системы пьезодатчиков и рамочных магнитных антенн. 
Сравнение электромагнитно-акустической и сейсмической активности гонного массива позволяет  отметить существование взаимосвязи энерговыделения электромагнитного излучения (ЭМИ) и акустической эмиссии (АЭ) с  характером наблюдаемой сейсмической активности горного массива [4]. В ходе исследований отмечено, что периодам времени, когда наблюдаются  относительно повышенные значения энерговыделения АЭ, в подавляющем большинстве случаев, соответствуют стадии отсутствия или ослабления сейсмической активности горного массива. Другими словами, горный массив в возбужденном состоянии после взрыва находится не все время, а в некоторые периоды, которые имеют постепенную тенденцию к сокращению.    Длительность этих периодов колеблется  в интервале от 20 до 60 минут. Выделение ЭМИ проявляет заметную тенденцию к уменьшению после аномального лительностью в несколько минут увеличения перед или в начале стадии отсутствия или ослабления сейсмоактивности массива. Затем происходят кратковременные (несколько секунд) увеличения энерговыделения ЭМИ перед сейсмическими событиями с                Е >=1000 Дж. 
В результате анализа общей сейсмической активности горного массива после технологического взрыва установлено, что сейсмоактивность проявляется не случайным образом, а все более и более сокращающимися периодами активизации, предваряемые периодами затишья, что отражается в особенностях наблюдаемой электромагнитно-акустической активности. Через несколько десятков часов после технологического взрыва в массиве регистрируются только слабые удары с энергией менее 500 Дж, которые наблюдались еще и до взрыва. Это свидетельствует о том, что массив перешел из возбужденного нестационарного в спокойное стационарное состояние. В период спокойствия массива наблюдается фоновое энерговыделение ЭМИ и АЭ.
Исходя из вышеизложенного, можно рекомендовать данную методику электромагнитно-акустического контроля для глубоких рудников и карьеров Узбекистана, где проводятся  технологические взрывы большой массы, с целью дистанционного контроля времен перехода массива из возбужденного в спокойное состояние. В возбужденном нестационарном состоянии в массиве регистрируются сейсмические события с энергией  1000 Дж и выше, в стационарном состоянии в массиве происходят события с энергией менее 500 Дж. Преимущество исследуемого метода заключается в проведении контроля наведенной сейсмоактивности (когда происходят события с энергией более 1000 Дж) на 2,5 км удалении от рудника.
Метод  и методика   работ    ЭМИ и АЭ   может быть использованы    и  при  решении вопросов, связанных   с   прогнозом  землетрясений и других грозных явлений  природы.



Литература

1.   Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс.  М.:Наука, 1987. с.65-67
2. Мансуров В.А. Удароопастность горных пород. В. кн. Горная геофизика.                – М.: Недра, 1989, 170c.
3. Хайдаров Б.Х., Домбровский О.В.. Возможности прогнозирования динамических явлений в горном пород массиве с помощью контроля его электромагнитно-акустической активности // Международная научно-практическая конференция «Инновация – 2012». Сборник научных статей.  Ташкент – 2012. с. 180-182.
4. Гуфельд И.А., Рожной А.А. и др. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений.  М.: ИФЗ АН СССР, 1988. с.78