изменения деформаций и наклонов геоструктурного блока в

УДК 622.831
А .А .К О ЗЫ РЕВ , д-р техн. наук, зам. директора по научной работе, kozar@goi.kolasc.net.ru
М .М .КА ГА Н , старший научный сотрудник, mkagan@goi.kolasc.net.ru
К .Н .К О Н С Т А Н ТИ Н О В , младший научный сотрудник, const1980@gmail.com
Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра
РАН, г.Апатиты М урманской обл.
Д .В .Ж И РО В , научный сотрудник, zhirov@geoksc.apatity.ru
Учреждение Российской академии наук Геологический институт Кольского научного центра
РАН, г.Апатиты М урманской обл.
A .A .KO ZYREV, Dr. in eng. sc., deputy director, kozar@goi.kolasc.net.ru
M .M .KAGAN, senior research assistant, mkagan@goi.kolasc.net.ru
K.N .KO NSTANTIN OV , junior research assistant, const1980@gmail.com
The Establishment o f the Russian Academy o f Sciences Mining Institute o f the Kola Science Center RAS,
Apatity, M urm ansk region
D .V .ZHIRO V, research assistant, zhirov@geoksc. apatity. ru
The Establishment o f the Russian Academy o f Sciences Geological Institute o f the Kola Science Center
RAS, Apatity, M urm ansk region
ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАКЛОНОВ
ГЕОСТРУКТУРНОГО БЛОКА В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ
И РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Приводятся результаты регистрации деформаций и наклонов блока массива пород на
шахтном поле подземного рудника за длительный период, включающий в себя разные
стадии подготовки и реализации техногенного землетрясения. Выявлены устойчивые
средне- и краткосрочные предвестники землетрясения. Выполнен анализ результатов в
рамках иерархической блоковой геологической модели среды.
Ключевые слова: землетрясение, предвестники, деформации, наклоны, подземный
рудник.
CHANGES IN STRAIN AND SLOPE GEOSTRUCTURAL BLOCK
IN THE PREPARATION AND REALIZATION OF TECHNOGENIC
EATHQUAKE
The results are presented of deformation and rock mass block inclination in the under­
ground mine field for the long period of time including different stages of preparation and reali­
zation of the earthquake. The stable mid-term and short-term earthquakes precursors are identi­
fied. The result analysis has been made within the hierarchy-block geological model of envi­
ronment.
Key words: earthquake, precursors, deformation, inclination, underground mine.
В ведение.
Сейсмические
события
большой мощ ности (с магнитудой больше
единицы) представляю т собой грозные при­
родные явления, создаю щ ие опасность ж из­
ни лю дей и несущ ие значительный эконо-
мический ущерб. В ы явление надеж ных
предвестников этих явлений, позволяю щ их
осущ ествлять прогнозирование их возник­
новения, является задачей актуальной и до
настоящ его времени не решенной. В связи с
2 3 0 _______________________________________
IS S N 0135-3500. Записки Горного института. Т. 199
Рис.1. Г еолого-структурн ое пол ож ен и е К ировского р удн и к а О А О «А патит»
С л ев а - геол оги ческая схем а рудника; сп рав а - м естоп ол ож ен и е рудн ика в Х и би н ском м ассиве
Р - рудное тело; а - радиальны е р азл ом ы ; б - разры вны е наруш ения других систем; в - разры вны е нарушения,
в ы деленны е по результатам деш и ф рирования аэрофотоснимков; г - м есторож дения апатит-неф елиновы х р у д
(правы й рисунок); д - наиболее крупны е разлом ы 1-го ранга; ци ф ры в круге: 1 - В орткеуайвский радиальны й;
2 - С аам ски й р а д и а л ь н ы й и 40 - Ю ж н о -Э в ес л о гч о р ск и й концентрический разлом; белы й контур - площ адь
проекции вы работок К ировского рудника и вы ходов месторож дений Кукисвумчорр и Ю кспорр н а поверхность;
звездоч ка - п роек ц и я эп и ц ен тра собы ти я от 21.10.2010 г. н а п оверхность
этим представляется важным систематизиро­
вать опыт надежного выявления таких пред­
вестников лю бой физической природы, пусть
и в ретроспективном плане. В данной статье
нами приводятся результаты измерений де­
формаций и наклонов блока массива горных
пород в зоне подготовки очага техногенного
зем летрясения с магнитудой, равной 3,5,
произошедшего в зоне отработки Х ибинско­
го апатитового месторождения (Объединен­
ный Кировский рудник ОАО «Апатит»). По
нашему мнению, эти результаты отчетливо
отражаю т различные стадии подготовки и
реализации землетрясения и позволяю т сде­
лать определенные выводы о механизмах его
подготовки и о прогностической роли де­
формационных предвестников.
Г о р н о -гео л о ги ч еск и е у с л о в и я О б ъ е­
д и н ен н ого К и р о в с к о го р у д н и к а . Рудник
находится в Кольский регионе и отрабатыва­
ет Кукисвумчорское и Ю кспорское апатитнефелиновые месторождения Хибинского
массива. Кольский регион не входит в число
наиболее сейсмоактивных областей. Здесь
выявляются лиш ь зоны слабой сейсмичности
с проявлением мелкофокусных тектониче­
ских землетрясений, вызванных, в основном,
дифференцированным изостатическим под­
нятием блоков кристаллического фундамента
в послеледниковое время и действием гори­
зонтальны х избы точны х напряж ений [5].
О днако ф оновая природная сейсм ичность
тектонического генезиса осложняется весьма
интенсивным техногенным воздействием,
связанны м с проведением взры вны х и гор­
ны х работ н а крупны х м есторож дениях
М урманской области. В этой ситуации про­
исходит нарастание и перераспределение
концентраций напряжений и сейсмичности
как внутри геологических блоков, так и на их
границах - крупных разломах третьего ранга.
Эти процессы имею т циклический характер и
могут продолжаться длительный промеж у­
ток времени, приводя в итоге к катастрофи_______________________________________ 2 3 1
Санкт-Петербург. 2012
ческим последствиям в виде техногенных
землетрясений и горно-тектонических уда­
ров. Еж егодно в регионе регистрируется
около двух тысяч техногенно-индуциро­
ванны х сейсмических событий, а примерно
раз в 10 лет отмечаю тся события с магниту­
дой 3-4 [1, 5].
Разрывная тектоника рассматриваемого
района представлена закономерно ориенти­
рованны ми радиальны ми и концентриче­
скими разломами (рис.1), а такж е несколь­
кими системами трещ иноватости. Наиболее
крупными тектоническими элементами геомеханического пространства Кукисвумчорского месторождения являю тся Саамский
(№ 2 на рис.1) и Ворткеуайвский (№ 1) ра­
диальные разломы северо-восточного про­
стирания.
Саамский разлом в первом приближ е­
нии совпадает с границей эксплуатируемых
месторождений и делит рудник на блоки
максимального ранга - К укисвумчорский и
Ю кспорский (см. рис.1).
П роведенны й нами в 1990-2000 гг. мо­
ниторинг дифф еренцированны х вертикаль­
ны х движ ений в районе Саамского разлома
вы явил сложный характер блоковых и межблоковых перемещ ений [3, 4].
Наиболее известным сейсмодинамическим событием на руднике является крупное
техногенное землетрясение от 16.04.1989 г.
с магнитудой около 4 и с реализацией раз­
ры ва по типу взбросо-надвиг, т.е. с равнове­
ликими вертикальной и горизонтальной со­
ставляю щ ими перемещения. Таким образом,
геомеханические условия эксплуатации глу-
Рис.2. Р еконструкция м естополож ения гипоцентра собы тия от 21.10.2010 г. и геом еханического п олигона
п о о т н о ш е н и ю к основны м э л е м е н т а м и н ф р а с т р у к т у р ы К ировского рудн ика (гор. + 1 7 2 м ) и с т р о е н и я
К уки свум чорского и Ю кспорского м есторож дений.
1 - подземные выработки; 2 - техногенное землетрясение 21.10.2010 г.; 3 - геофизический полигон гор. -2 4 м;
4 - Саамский разлом
2 3 2 ________________________________________________________________________________
IS S N 0135-3500. Записки Горного института. Т. 199
20
10
0
- 10
&
-2 0
g
-3 0
§
-4 0
-5 0 '
-6 0
-7 0
l
зем л етрясен и е
Д К К В -З
Д К К Ю -С
Н К В -З
Н К С-Ю
Рис.3. Г р аф и к у сред н ен н ы х за день д анны х деф орм ац и он н о-н акл он ом ерн ого к о м п л екса в пери од подготовки
и реал и зац и и техн оген н ого зем л етрясен и я 21.10.2010 г.
1-й этап - период стабильности (22.07.2010 - 06.10.2010); 2-й этап - подготовка землетрясения (06.10.2010 - 21.10.2010);
3-й этап - афтершоковый период (с 21.10.2010)
боких горизонтов Кировского рудника м ож ­
но охарактеризовать как сложные.
П оследнее мощ ное техногенное собы­
тие с магнитудой около 3,5 произош ло
21.10.2010 г. в 12 ч 10 мин по московскому
времени. Гипоцентр события находился в
Кукисвумчорском крыле О бъединенного
Кировского рудника примерно на горизонте
+16 м (360 м от поверхности) на некотором
удалении от горных выработок (рис.2). В ы ­
деливш аяся энергия составила порядка
7 1 0 9 Дж. В результате этого события в ряде
подземных вы работок рудника произош ло
раскрытие трещ ин, отслоения бетонной и
набрызг-бетонной крепи, обруш ение поро­
ды. Каких-либо значимых последствий зем ­
летрясения на поверхности не выявлено.
Размер очага сейсмического события
может быть оценен по формуле [2]
lg L = 0,3 3 lg E - 0,4,
где L - длина разры ва в очаге, м, E - энергия
сейсмического события, Дж.
Д ля события с энергетическим классом
9 оценка дает длину проросш его разры ва
порядка 700 м. Если учесть, что размер зоны
подготовки в несколько раз превосходит
длину разры ва [6], можно говорить о том,
что размер зоны подготовки землетрясения
составляет несколько километров, т.е. зона
вклю чает в себя всю промыш ленную зону
рудника и значительную часть продуктив­
ной толщ и Х ибинского массива.
Геомеханический полигон. Н а гор. -2 4 м
Ю кспорского кры ла О бъединенного К и­
ровского рудника ОАО «Апатит» оборудован
геомеханический полигон, представляющий
собой многоканальный наклономерно-деформометрический комплекс на основе приборов,
разработанных в Институте физики Земли
РАН. Комплекс включает в себя кварцевые
деформометры и наклономеры с разрешаю­
щей способностью по наклонам 0,005 угловой
секунды и по деформациям 0,005 мкм. Н а
стенке забоя выработки смонтированы два
деформометра ДКК-3, ориентированные по
сторонам света - восток-запад (далее ДКК В-З)
и юг-север (ДКК Ю-С), а два наклономера,
установленные в штативах на постаменте,
ориентированы в направлении запад-восток
(НК З-В) и север-юг (НК С-Ю). Комплекс на­
ходится в эксплуатации с июля 2010 г.
О п и сан и е р е зу л ь та то в р е ги с тр а ц и и
д е ф о р м ац и й и н а к л о н о в . Н а рис.3 в гра_______________________________________ 2 3 3
Санкт-Петербург. 2012
ф ическом виде представлены показания
приборов деф орм ационно-наклоном ерного
комплекса за период регистрации с начала
эксплуатации полигона до конца 2010 г.
Этот период вклю чает в себя момент реали­
зации техногенного землетрясения.
Д анны е позволяю т даже визуально вы ­
делить несколько характерны х временных
интервалов:
1-й этап. И нтервал от начала регистра­
ции до 06.10.2010 г. Отличительной особен­
ностью этого интервала является непреры в­
ное медленное изменение наклона в плоско­
сти север-ю г (НК З-В) при относительно
малых изменениях в показаниях остальных
приборов. К концу интервала приращ ение
угла наклона достигло весьм а значительной
величины - порядка 1 угловой минуты.
2-й этап. И нтервал с 06.10.2010 г. по
21.10.2010 г. И нтервал характеризуется рез­
кой скоростью изменения показаний всех
приборов, за исклю чением деформометра
Д К К Ю -С, причем наклон в плоскости се­
вер-ю г сменил знак приращ ения, а деформометр в направлении восток-запад показы ­
вал рост отрицательны х деформаций (сж а­
тие). Этап заверш ился реализацией техно­
генного землетрясения.
3-й этап. И нтервал с 21.10.2010 г. по
31.10.2010 г. П осле реализации зем летря­
сения прослеж ивается ум еньш ение ско­
ростей наклонов при продолж аю щ ем ся
росте деф орм аций сжатия в направлении
восток-запад.
С целью более наглядного отображения
результатов регистрации мы восстановили
по показаниям наклономеров векторы ско­
ростей изменения наклонов. У средненные
по этапам результаты расчетов приведены
на рис.4. М ожно отметить, что на 2-м этапе
скорость наклона практически на порядок
превыш ала аналогичный показатель на дру­
гих этапах, а также резко изменилось на­
правление наклона между 1-м и 2-м этапами.
В ы ш еприведенны е результаты отчет­
ливо отражаю т различны е стадии подготов­
ки очага землетрясения и позволяю т, вопервых, выявить особенности ф ормирова­
ния напряженно-деформированного состоя­
ния массива пород в течение относительно
длительного периода подготовительной ста­
дии и, во-вторых, четко определить начало
заклю чительной стадии подготовки - не­
дельного интервала, предш ествую щ его зем ­
летрясению.
О бсуж дение р е зу л ьта то в . Н а первом
этапе подготовки сейсмодинамического со­
бытия основные деформации, регистрируе­
мые по результирую щ ему вектору относи­
тельного наклона, были сориентированы по
азимуту 210°, т.е. примерно перпендикуляр­
но к общ ей структуре месторождения. К на­
чалу 2-го этапа характер деформирования
резко изменился. Скорость и направление
деформации и, соответственно, результи­
рую щ его вектора наклона изменились и ста­
ли примерно параллельны общ ему прости­
ранию месторождения с относительным по­
Рис.4. И зм ен ен и е век то р а скорости н акл о н а у частка м асси ва го р н ы х п ород в разн ы е стади и п од готовки
и реал и зац и и зем л етрясен и я по д ан н ы м наклоном еров
2 3 4 _______________________________________________________________________________
IS S N 0135-3500. Записки Горного института. Т. 199
гружением по азимуту 300° (см. рис.4). Та­
кое поведение, вероятно, обусловлено не­
равномерностью отработки участков м есто­
рож дений и разной степенью перераспреде­
ления полей напряжений.
Н а 3-м этапе, после реализации земле­
трясения, вы является знакопеременный ха­
рактер деформаций в направлении «вдоль
рудного тела».
Энергетика сейсмодинамического со­
бытия от 21.10.2010 г. ( 7 1 0 9 Дж) и расчет­
ные размеры разрывного наруш ения (сотни
метров - километр) определяю т весьма зн а ­
чительны е м асш табы геом еханического
пространства, вовлеченного в процессы
подготовки землетрясения. Л инейный раз­
мер этого участка м ассива пород составлял
не менее нескольких километров по каждой
оси измерения. Об этом также свидетельст­
вует уверенная регистрация форш оковых и
афтерш оковых деформаций на полигоне,
удаленном от гипоцентра на расстояние бо­
лее 1 км.
гнозирования опасны х геодинам ических
явлений при эксплуатации горно-рудны х
предприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. А с м и н г В .Э . Уточнение и проверка скоростной
модели распространения сейсмических волн на Коль­
ском полуострове и севере Скандинавии / В.Э.Асминг,
С.В.Баранов, И.А.Кузьмин // Север 2003: проблемы и
решения / Под ред. В.Т.Калинникова. Апатиты: КНЦ
РАН, 2004. С. 109-118.
2. К аса ха р а К . Механика землетрясений. М.: Мир,
1985. 262 с.
3. Саамский разлом (Хибины) - аномальный ха­
рактер современных деформаций / А.А.Козырев, Э.В.Каспарьян, Д.В.Жиров, Ю.Г.Смагина // Вестник МГТУ.
2009. Т.12. № 4. С.702-707.
4. Сейсмичность при горных работах / Под ред.
Н.Н.Мельникова. Апатиты: к Нц РАН. 2002. 325 с.
5. Ш а р о в Н .В . Землетрясения и микросейсмич­
ность в задачах современной геодинамики Восточно­
Европейской платформы: Кн.1. Землетрясения /
Н.В.Шаров, А.А.Маловичко, Ю.К.Щукин. Петрозаводск:
КарНЦ РАН, 2007. 381 с.
6. D o b ro vo lsk y I .R . Estimation of the size of earth­
quake preparation zones / I.R.Dobrovolsky, S.I.Zubkov,
V.I.Myachkin // Pageoph. 1979. N 117. P.1025-1044.
В ы воды
REFERENCES
1. Результаты наблю дений деформаций
и наклонов даю т объективную картину
изм енения напряж енно-деф орм ированного
состояния м асси ва пород, хорош о со гл а­
сую щ ую ся с общ им и данны м и о его б лоч­
ной структуре.
2. Данны е деформационно-наклономер­
ного мониторинга блока м ассива горных
пород позволяю т выявлять средне- и крат­
косрочные предвестники готовящ ихся в
блоке техногенны х землетрясений.
3. Есть основания предполагать, что ор­
ганизация сети деформационно-наклоно­
мерны х станций в сочетании с другими м е­
тодами контроля в пределах геоструктурных
блоков, формирую щ их шахтное поле руд­
ника, может обеспечить возможность про­
1. A sm in g V .E ., B a ra n o v S .V ., K u z ’m in I .A . The
Specification and Control over Seismic Wave Distribution
Velocity Model in the Kola Peninsula and the North of
Scandinavia // Proceedings Sever 2003: challenges and
solutions / Edited by V.T.Kalinnikov. Apatity: KSC RAS,
2004. P. 109-118.
2. K a sa kh a ra K . The Earthquakes Mechanics. Mos­
cow: Mir, 1985. 262 p.
3. K o zyrev А .А ., K a sparyan E .V ., Z hirov D .V ., Sm ag in a Y u .G . Saamsky Fault (Khibiny) - the abnormal charac­
ter of the current deformations // MSTU Vestnik, 2009.
Vol.12. N 4. P.702-707.
4. Seismicity in Mining Operations / Edited by
N.N.Melnikov. Apatity: KSC RAS Publishing. 2002. 325 p.
5. S h a ro v N .V ., M a lo vich k o A .A ., S chukin Y u .K . The
Earthquakes and Microseismicity in the Tasks of Modern
Geodynamics of the East European Platform: Book 1. The
Earthquakes. Petrozavodsk: Karelian SC RAS, 2007. 381 p.
6. D o b ro vo lsk y I .R ., Zubkov S .I ., M y a ch k in V .I . Esti­
mation of the size of earthquake preparation zones // Pageoph. 1979. N 117. P.1025-1044.
____________________ 235
Санкт-Петербург. 2012