Способ прогноза горно-тектонических ударов Советский патент 1992 года по МПК E21F5/00 

ИзоЙрет ение относится к горному делу и предназначено для прогноза аварийных ситуаций при производстве подземных горных работ.

Известен способ прогноза горнотектонических ударов, включающий установку сейсмоприемников по границам контрольного полигона и непрерывную регистрацию сейсмических явлений с локализацией зон повышенной сейсмоактивное™.

Такой способ позволяет произвести районирование участков рудничного поля в зависимости от энергии произошедших явлений и произвести прогноз по месту ожидаемых явлений в будущие периоды времени. Однако, как показывает практика, связь между энергией сейсмического явления и вероятностью горного удара не однозначна. Вследствие этого произвести надежный прогноз степени удароопасности на основе выделения зон повышенной сейсмоактивности невозможно.

Известен способ прогноза горных ударов, включающий непрерывное определение в пределах контрольных полигонов параметров сейсмических волн и параметров напряженно-деформированного состояния пород. Прогноз горных ударов по этому способу осуществляется на основе анализа амплитудно-частотного спектра сейсмического события и фактического напряженного состояния на участках контроля. Данный способ позволяет в значительной степени повысить точность прогноза, т.к. из всего класса событий выделяются только те длины волн,которые вызывают формирование стоячих волн и тем

3

00

со сь

самым обуславливают сложение напряжений статического и динамического полей.

деляется упруго-пластическими свойствами данной среды и ее напряженно- деформированным состоянием. Причем

Определяют направление осей главных напряжений дальнего поля и непрерывно определяют направление осей главных напряжений ближнего поля по данным механизмов сейсмоявле- ний. Одновременно определяют погрешность данных измерений. Измеряют максимальный шаг дискретности изменения направлений горизонтальных осей ближнего поля. Сравнивают по указанным полям направления осей соответствующих напряжений. В случае сокращения величины разницы между азимутами направлений осей перечисленных полей прогнозируют удароопас- ность. 1 з.п. ф-лы, и ил. (Л С

Однако этому способу присущи некс- ,. эти два фактора в условиях региоторые недостатки. Во-первых, высокая трудоемкость, требуется постоянное перебазирование подземных станций регистрации деформаций по мере развития горных работ. Во-вторых, эффектив- .JQ ность данного способа снижается вслед ствие невозможности осуществления заблаговременного прогноза, основанного на детерминированных зависимостях.15

Целью изобретения является снижение трудоемкости прогноза.

Поставленная цель достигается тем, что в пределах контрольного полигона определяют направление осей главных нормальных напряжений дальнего поля и непрерывно определяют направление осей главных напряжений ближнего поля по данным механизмов сейсмоявле- ний, одновременно определяют погрешность измерений направлений осей каждого из полей, затем измеряют максимальный шаг дискретности изменения направлений горизонтальных осей ближнего поля, сравнивают по указанным 30 полям направления осей соответствую20

25

нального рассмотрения непрерывно с заны между собой. Это происходит п тому, что если, к примеру, по гран це разлома имеется воздушный проме жуток то здесь происходит практически полное отражение упругой вол и, наоборот, если стенки трещины плотно сжаты под действием тектони ческих напряжений, условия распрос ранения упругих волн практически идентичны сплошному массиву.

Совпадение осей ближнего и даль него полей указывает на то, что во всем объеме указанной области масс ва горных пород происходит закрыти всех трещин и восстанавливается ис ходное природное состояние. В таки условиях сейсмические волны из гипоцентра явления распространяются с зону горных работ практически бе потерь энергии (практически отсутс вует отражение, рассеяние и прелом ление волны), ч го способствует ма симально возможной передаче динами ческой составляющей поля напряжени и обуславливает максимальную вероятность горного удара.

щих напряжении, и, в случае сокращения величины разности между азимутами направлений осей перечисленных полей

.- СФПЧеЧ+о т

по меньшей мере по направлению оси одного из главных напряжений до числа меньшего или равного нулю, прогнозируют 1 категорию удароопасносчи, где , направление оси главного нормального напряжения, числа , 2, 3 - индексы осей главных нормальных напряжений, - текущее значение азимута n-й оси ближнего поля, fe и f r соответственно погрешности в определении направления осей ближнего

макс .

и дальнего полей напряжении, макс, шаг дискретности изменения направления оси ближнего поля напряжеНИИ.

физические предпосылки способа базируются на волновых процессах, , протекающих при сейсмоизлучениях.Прй возникновении подвижки по тектоническому разлому в окружающее пространство излучается упругая волна напряжений. Распространение этой волны опре

Q 5

0

0

5

5

Q

нального рассмотрения непрерывно связаны между собой. Это происходит потому, что если, к примеру, по границе разлома имеется воздушный промежуток то здесь происходит практически полное отражение упругой волны и, наоборот, если стенки трещины плотно сжаты под действием тектонических напряжений, условия распрост ранения упругих волн практически идентичны сплошному массиву.

Совпадение осей ближнего и дальнего полей указывает на то, что во всем объеме указанной области массива горных пород происходит закрытие всех трещин и восстанавливается исходное природное состояние. В таких условиях сейсмические волны из гипоцентра явления распространяются с зону горных работ практически без потерь энергии (практически отсутст--- вует отражение, рассеяние и преломление волны), ч го способствует максимально возможной передаче динамической составляющей поля напряжений и обуславливает максимальную вероятность горного удара.

На фиг. 1-4 показана схема ojcyuie- ствления предлагаемого способа (Ет и Eg - тензор дальнего и ближнего полей напряжений, соответственно; . , (Уз величины главных нор- малъных напряжений поля Ёт; G f , , - величины главных нормальных напряжений ЕЈ поля; X, Y, Z - оси координат; о,, Ь з азимуты поля ЕГ; Д.Ф1 ,&Ф2,,... йф5 - дискретные изменения положения оси главных горизонтальных нормальных напряжений Ее по- 5 ля; й(| макс- максимальный шаг дискретности измерения положения оси главных нормальных горизонтальных напряжений Ее поля; величина критического шаг дискретизации -UCf).

Способ осуществляется в следующей последовательности операций.

В пределах контрольного полигона 1 (фиг. 1) одного из участков месторождения определяют напряжение оеёй главных нормальных напряжений дальнего поля Ет. Данную операцию осуществляют, например, путем реконструкции поля природных напряжений по данным тектоноструктурного

5 N 17783166

анализа тектоноструктур 2-4 или пря- с вероятностью 95% (а именно при

Г мых измерений методом гидроразрыва

/город цз скважин. В пределах этого же полигона 1 непрерывно определяют на

| основе данных сейсмостанции направление осей главных нормальных напря,5

такой доверительной вероятности считываются величины погрешности ufT и &fe) следует ожидать, что с

-е

дующее положение оси G t совпадае с положением оси (Т . Значит с э момента времени в пределах полиго 1 прогнозируют 1 категорию удароо IQ сности в рассматриваемом случае п Рассмотрим выполнение способа примере одного из участков Север уральских бокситовых месторожден

жений G, , С„ , ближнего поля Е по данным механизмов сейсмоявлений локальной тектоники 5 (см. фиг. 1).

Данные измерений напряжений обоих полей фиксируют на круговых диаграммах (фиг. 2-4). В процессе измерений по стандартным методикам определяют погрешность &Јт и &fe измерений направлений обоих полей Ет и Ее. Затем измеряют максимальный шаг дискрет- ности 0 осей Е. На

изменения направления фиг.З и 4 показано поs-l

следовательное измерение шагов дискретности йф4,..., Лф5 и выделение и нихЛф-j, как максимального, т„е. |Ш№ОКС| ( « Данная операция алгоритмически выполняется следующим образом.

После анализа механизма сейсмояв- ления в память ЭВМ сейсмостанции заносят величину азимута положения оси, например максимального главного нормального напряжения С, (направления остальных определяется однознано, т.к. они строятся по ортогональной схеме). После этого при очередно (втором) сейсмоявлений вновь определяют азимут оси и по разнице этих углов определяют й( . При следующем сейсмоявлений вычисляют разницу между углом второго положения (j, и настоящего с получением A( вычисляют разницу ЛфЈ - Дф, (1). Если (1) положительно, то в памяти сохраняют величину Aty, если разница (1) отрицательна, то -&ф(.

При четвертом сейсмоявлений аналогично вычисляют ( и сравнивают с оставшимся в памяти числом и т.д. до тех пор, пока максимальное на данMQKC

сложенный момент времени jkty ное с величиной погрешности измерения углов каждого из полей Ет и Е, не окажется большим или равным углу между последним положением оси СГ® поля Ее (на фиг. 4 это АЦ) и оси СГ поля Ет. Это положение может быть выражено формулой

-««Г+ И™ VW

Если эта разница будет отрицательной или равной нулю, то с этого момента

такой доверительной вероятности рассчитываются величины погрешности ufT и &fe) следует ожидать, что сле-е

дующее положение оси G t совпадает с положением оси (Т . Значит с этого момента времени в пределах полигона 1 прогнозируют 1 категорию удароопа- сности в рассматриваемом случае . Рассмотрим выполнение способа на примере одного из участков Североуральских бокситовых месторождений.

На участке 11 с гор - 560 шт. 14- 14°ис по данным гидроразрыва скважин направление оси максимального (по абсолютной величине) снимающего напряжение имеет азимут Oi Погрешность измерений данным способом ле- жит в пределах 15% или в градусах

fT- 0,45°.

Погрешность измерения азимута оси ближнего поля Еб по данным механизмов сейсмоявлений . Последонательные значения (по данным сейсмостанции Североуральск) азимутов углов поля Е следующие Дф( 305°; Д 310°;й з 3120;Аф4 321°; Дфг - 330°;Д б 342°;ДЦ)Т 350° ; Дф8 354,

s uVMOKe 9° Afe-luVMa co| 0,90; We Ve+l64 M(ml+&fTll «l +ufeIVT I - 354 +9°-i-0,45+0,,,350 (n следовательно с момента когда ось ближнего поля Е приняла положение Atf)g следует прогнозировать 1 категорию удароопасности.

В настоящее время разработан алгоритм и программы обеспечения, позволяющие автоматически осуществлять

такой расчет.

Программным путем осуществляется

регистрация текущего значения угла

тек (р п - текущего значения оси главного

нормального напряжения поля Е&. За- тем осуществляется операция определения угла с учетом погрешности измерений &Ц) (1, fe, где - азимут положения оси поля Ее в момент времени р-Н сейсмоявления (соответственно - азимут положения оси поля Eg в момент р-го сейсмоявления) . Каждый раз ЭВМ формируется выборка из &(1 на момент времени tp+f и определяется на этот мо- мент времени с учетом всех предшествующих &фр , Это значение складывается с С,;тЈк () с текущим значением азимута оси поля Ее в момент времени tK если сумма срп оказывается большей либо равной углус п то участок месторождения относят к 1 категории удароопасности.

При реализации следующего сейсмо- явления вновь рассчитывают величину Ыр. Если она оказывается меньшей чем ut, то 1 категория отменяется

Ожидаемый технико-экономический и иной эффект от использбвания изоб- ретения заключается в повышении его эффективности при прогнозе горно- тектонических ударов, по данным статистики СУБРа лишь 30% случаев, в которых имели место сейсмоявления с энергией больше 10 Дж привели к разрушениям выработок, т.е.. в 70% случаев следовало бы не применять профилактические мероприятия. Таким образом, применение способа позволит (с учетом доверительной вероятности и вариации результатов) сократить объем профилактических мероприятий на 30-35%.

Формула изобретения

1 о Способ прогноза горно-тектонических ударов, включающий непрерывное определение в пределах конт- рольных полигонов параметров сейсмических волн и параметров напряженно-деформированного состояния пород, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости, в пределах контрольного полигона определяют направление осей главных на- «ояжений дальнего поля и непрерывно

Фиё.1

5

0 5

0

5

определяют.направление осей главных напряжений ближнего поля по данным механизмов сейсмоявлений, одновременно определяют погрешность измерений направлений осей каждого из полей, затем измеряют максимальный шаг дискретности изменения направлений горизонтальных осей ближнего поля, сравнивают по указанным полям направления осей соответствующих напряжений и в случае сокращения величины разницы между азимутами направлений осей перечисленных полей Уу, - (( +|utj)walcc| +фтек ) по меньшей мере по направлению оси одного из главных горизонтальных напряжений до числа, меньшего либо равного нулю прогнозируют I категорию удароопасности, где 0(п - направление оси п-го главного нормального напряжения, , 2, 3 индексы осей главных нормальных напряжений, - текущее значение азимута n-й оси ближнеЕТ

го поля, fe и fT - погрешности определения осей соответственно ближнего и дальнего полей напряжений, дф/лаке максимальный шаг дискретности изменения направления оси ближнего поля напряжений.

2о Способ по п. отличающийся тем} что направление осей главных напряжений дальнего поля определяют реконструкцией Поля природных напряжений по данным тектоно- структурмого анализа или прямыми из мерениями методом гидроразрыва пород из скважины.

Фиг. 2

фиг.З

ДУ4

l r-uv1