На правах рукописи

Журавлева Ольга Геннадьевна

Совершенствование методики комплексной

оценки сейсмического режима

апатит-нефелиновых

месторождений хибинского массива

Специальность 25-00-20

«Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Апатиты

2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Горном институте Кольского научного центра РАН

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор А.А. Козырев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ю.А. Епимахов

кандидат технических наук А.А. Филинков

Ведущая организация:

Московский государственный горный университет

Защита состоится 07 декабря 2011г. в 10 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д002.029.01 при Учреждении Российской академии наук Горном институте КНЦ РАН по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

Автореферат разослан «03» ноября 2011г.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблема горных ударов и техногенной сейсмичности является актуальной для многих районов мира с развитой горнодобывающей промышленностью, в том числе и для апатитовых рудников Хибин, поскольку динамические проявления горного давления приводят не только к снижению безопасности горных работ, но и могут привести к значительным материальным потерям.

Зарегистрированные до настоящего времени на Хибинских апатитовых рудниках формы геодинамических явлений многообразны: от шелушения пород до техногенных землетрясений. С 1975 по 2011 г.г. в пределах отрабатываемых месторождений зафиксировано 75 событий, которые относятся к проявлениям горного давления в виде микроударов, горных ударов, горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.

Все зарегистрированные динамические проявления горного давления можно разделить на четыре группы по механизму подготовки и реализации: 1) вследствие техногенной активизации и подвижек по существующим разломам; 2) в результате развития лавинно-неустойчивого слияния техногенных трещин малого ранга в новые крупные разрывы; 3) в результате разрушения барьеров между сближенными очистными пространствами или разломами, или между очистным пространством и разломом; 4) при формировании трещин отрыва в подработанной консоли пород висячего бока.

В настоящее время (как за рубежом, так и в России) обоснован и применяется для прогноза зон повышенной сейсмоактивности большой ряд отдельных прогностических критериев, отражающих какую-то одну сторону сейсмического режима. Под сейсмическим режимом какой-либо области подразумевается пространственно-временная совокупность событий, зарегистрированных в этой области, между которыми может существовать взаимная связь, поэтому значительная часть проводимых исследований направлена на выявление различных особенностей режима, предваряющих и сопровождающих крупное сейсмическое событие, – его предвестников.

При оценке сейсмического режима необходимо учитывать параметры потока микросейсмичности, которые характеризуют различные стороны сейсмического процесса. В связи с этим используется комплексный подход, при котором оцениваются изменения не по одному критерию, а по нескольким сразу. При этом возникают определенные трудности при совместном рассмотрении критериев, имеющих различную физическую природу. Поэтому совершенствование методики комплексной оценки сейсмического режима на основе совместного анализа отдельных прогностических критериев и её адаптация к условиям отработки Хибинских апатит-нефелиновых месторождений является актуальной научной задачей, имеющей большое практическое значение.

Целью работы является совершенствование методики комплексной оценки сейсмического режима рудников, основанной на совместном использовании нескольких прогностических критериев, и адаптация её к условиям отработки Хибинских апатит-нефелиновых месторождений.

Основная идея заключается в использовании выявленных закономерностей поведения отдельных прогностических критериев в процессе формирования очага сильного сейсмического события или сейсмоактивной зоны для комплексной оценки вероятности их возникновения.

Задачи исследований:

1. Выявление особенностей поведения отдельных прогностических критериев, а также их комплексная оценка для условий отработки Хибинских апатит-нефелиновых месторождений.

2. Поиск оптимальных параметров обработки данных сейсмологических наблюдений на апатитовых рудниках Хибин и определение уровня тревоги для комплекса критериев.

3. Исследование возможности применения усовершенствованной «Методики комплексной оценки изменений сейсмического режима» на основе ретроспективного анализа баз данных сейсмических событий, зарегистрированных на Хибинских апатитовых рудниках.

Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме; разработка программного обеспечения и применение современных компьютерных технологий для анализа базы данных сейсмических наблюдений; анализ данных о зарегистрированных динамических явлениях, а также о горнотехнической и геологической обстановке; верификация усовершенствованной методики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика комплексной оценки сейсмического режима при одновременном анализе зарегистрированных сейсмических событий по нескольким прогностическим критериям, отличающаяся объединением различных по физическому смыслу и дополняющих друг друга отдельных прогностических критериев, путем приведения их значений к сравнимому виду.

2. На основании анализа динамики значений критерия комплексной оценки выделены четыре типа сейсмоактивных зон: растущие, пульсирующие устойчивые и затухающие. Причем наиболее опасными являются участки массива, в которых выявлены растущие и пульсирующие зоны сеймоактивности.

3. Установлено, что среднесрочный прогноз сильных сейсмических событий (с энергией 106–108 Дж) на Хибинских апатитовых рудниках возможен при варьировании длительности периода наблюдений (от полугода до 1 года) и при учете геомеханического состояния вероятной зоны подготовки события. Наилучшие значения вероятностей (до 88%) наблюдаются для сильных сейсмических событий, приуроченных к консоли пород висячего бока.

Научная новизна работы:

- Проанализирована эффективность прогноза по отдельным критериям. Выявлено, что при высоких значениях вероятности возникновения события, эффективность прогноза мала в связи с высокими значениями вероятности ложной тревоги.

- Разработана методика комплексной оценки с использованием ряда отдельных прогностических критериев, позволяющая учитывать различные стороны сейсмического процесса.

- Установлено, что в опасные периоды времени (перед сильным сейсмическим событием или перед серией событий), как правило, наблюдается рост значений комплексной оценки.

- На основе анализа динамики значений комплексной оценки в пространственной ячейке определены уровни тревоги и типы сейсмоактивных зон.

- Показано, что результаты прогноза отдельных сильных сейсмических событий приемлемы для среднесрочного, а в некоторых случаях - для краткосрочного, при этом вероятность прогноза повышается до 70-88%, а наилучшие значения вероятностей проявления наблюдаются для сильных сейсмических событий, приуроченных к консоли пород висячего бока.

Практическая ценность работы:

- разработана программная система «Mining-Induced Earthquakes Prediction System» (MIEPS) для комплексного анализа базы данных зарегистрированных сейсмических событий;

- разработана методика комплексной оценки ряда отдельных прогностических критериев, позволяющая оперативно проводить анализ сейсмического режима;

- «Методика локализации сейсмоактивных зон в геологической среде и анализа их миграции в процессе ведения горных работ» может быть использована для выявления участков массива пород, где необходимо применять соответствующие профилактические мероприятия по предупреждению проявлений техногенной сейсмичности;

- разработанный подход к «Региональному прогнозу отдельных сильных сейсмических событий в условиях техногенного воздействия на массив горных пород» может быть использован для анализа состояния массива в режиме реального времени.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена сходимостью результатов прогноза сейсмоактивных зон с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния пород и с данными фактического проявления горного давления на апатитовых рудниках Хибин, а также связью миграции этих зон с продвижением фронта горных работ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были получены в процессе выполнения работ в рамках тем НИР Горного института КНЦ РАН «Исследование геодинамических процессов в энергонасыщенных зонах геологической среды при разработке месторождений полезных ископаемых» и «Исследование процессов самоорганизации геологической среды в горнорудных природно-технических системах для управления геодинамическими рисками», и положены в основу совершенствуемой «Методики регионального прогноза удароопасности на рудниках ОАО «Апатит». Часть исследований выполнялись в рамках грантов РФФИ и по программам Отделения наук о Земле РАН (ОНЗ-3).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 9-ом международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» (Kjoye, Норвегия, 2007), Всероссийской научной конференции с иностранным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ» (Апатиты, 2008), I международном симпозиуме Южного полушария по механике горных пород (Перт, Австралия, 2008), Всероссийской научной конференции «Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов» в (Апатиты, 2009), на VIII международной школе-семинаре «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов» (Апатиты, 2010), VI международной сейсмологической школе «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» (Апатиты, 2011), были изложены в научно-исследовательских отчетах Горного института КНЦ РАН, опубликованы в научных статьях, докладывались на комиссиях по горным ударам ОАО «Апатит».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ (из них 1 работа - в издании, рекомендованном ВАКом).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 180 страницах машинописного текста, в том числе: 59 рисунков, 23 таблицы, 2 приложения, список литературы из 106 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю работы Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору, доктору технических наук А.А. Козыреву за помощь в постановке проблемы и руководство исследованиями; доктору технических наук Э.В. Каспарьяну, кандидатам технических наук В.И. Панину и Ю.В. Федотовой за обсуждение результатов, ценные советы и внимание к работе. Следует с признательностью отметить большой вклад в проведенные исследования кандидата технических наук В.А. Мальцева. Автор благодарен сотрудникам лаборатории геомеханики и института за плодотворное сотрудничество, а работникам ОАО «Апатит» за предоставленные данные сейсмических наблюдений на рудниках, заинтересованность и поддержку в проведении исследований.

основное содержание работы

Сейсмическая эмиссия является наиболее показательным отражением процессов геомеханической самоорганизации в иерархически блочной геологической среде. Каждое крупное сейсмическое событие может предваряться и сопровождаться рядом более мелких событий - форшоков и афтершоков. Анализ параметров сейсмической эмиссии позволяет оценить поведение геологической среды при различных условиях, в том числе в горнорудных природно-технических системах (ГрПТС).

К настоящему времени накоплен большой объем результатов теоретических и экспериментальных исследований причин и условий возникновения динамических явлений в выработках при ведении крупномасштабных горных работ, а также поиска предвестников и возможности прогнозирования сильных событий. Особый вклад в изучение этих вопросов внесли С.Г. Авершин, В.В. Адушкин, А.Д. Завьялов, А.А. Еременко, Ю.А. Епимахов, А.А. Козырев, С.В. Кузнецов, В.С. Куксенко, М.В. Курленя, А.В. Ловчиков, А.А. Маловичко, В.А. Мансуров, Г.А. Марков, А.В. Николаев, В.Н. Опарин, И.М. Петухов, И.Ю. Рассказов, Ю.В. Ризниченко, А.Д. Рубан, М.А. Садовский, В.Г. Селивоник, В.Б. Смирнов, Г.А. Соболев, С.Б. Турунтаев, И.А. Турчанинов, В.Л. Шкуратник, А.А. Филинков, Д.В. Яковлев, А. Мендецки, А. МакГарр и другие.

Анализ литературных источников показал, что до настоящего времени проблема прогноза проявлений техногенной сейсмичности при ведении горных работ до конца не решена и на сегодняшний день не создано единой унифицированной методики прогноза, это можно объяснить различием горно-геологических и горнотехнических условий отработки месторождений полезных ископаемых. В связи с этим в настоящее время используется широкий спектр методик и алгоритмов, обеспечивающих выявление предвестников и прогноз природных землетрясений.

Что касается формализации методики прогноза техногенных землетрясений и зон повышенной сейсмоактивности, то универсальных алгоритмов в этой области на сегодняшний день также нет, и большинство ученых приспосабливают различные методики и алгоритмы, разработанные сейсмологами для прогноза природных землетрясений. Однако, применение этих рекомендаций по прогнозу сильных сейсмических событий, разработанных без учета влияния горных работ, зачастую не отвечает запросам горнотехнической практики.

Многие существующие алгоритмы и методики выделения областей повышенной сейсмоактивности массива горных пород основаны на анализе изменения значений какого-либо одного прогностического критерия, реже применяется совместное рассмотрение предвестников.

Одним из ключевых вопросов, возникающих при прогнозе проявлений техногенной сейсмичности, помимо определения вероятности возникновения сильного сейсмического события, является определение времени его ожидания. Большинство существующих методик прогноза ограничиваются определением возможного места проявления события и вероятности его возникновения. Методики, в которых определяется время ожидания сильного сейсмического события из-за его высоких значений, часто не отвечают требованиям горнодобывающих предприятий.

Применительно к апатитовым рудникам Хибинского массива проблемой поиска предвестников и прогноза проявлений техногенной сейсмичности занимались А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев, В.В. Тимофеев, Ю.В. Федотова, С.А. Козырев, Н.Г. Томилин, А.Д. Завьялов, В.С. Свинин, А.Ю. Звонарь, В.Ю. Запорожец, М.В. Аккуратов, С.А. Можаев и др.

Ранее в Горном институте КНЦ РАН был выполнен большой объем работ по адаптации прогностических критериев к условиям Хибинских апатитовых рудников: проведена оценка прогностической эффективности отдельных прогностических параметров, а также получены первые результаты по комплексному прогнозу критических состояний участков массивов горных пород, которые можно считать обнадеживающими. Однако расчеты проводились практически вручную, что затрудняло тестирование разработанных подходо. В связи с этим возникла необходимость в создании программной системы для автоматизации обработки данных сейсмических наблюдений, позволяющей провести анализ большого объема данных и адаптировать применяемые методики прогноза к условиям апатитовых рудников Хибин (всесторонне проанализировать особенности отдельных прогностических критериев, а также найти оптимальные параметры обработки данных сейсмологических наблюдений и определить уровни тревоги для комплекса прогностических критериев). Таким образом, необходимы адаптация и применение уже разработанных подходов к прогнозу сильных сейсмических событий с энергией 106Дж - 108Дж, а также их усовершенствование (особенно в плане минимизации времени ожидания сильного сейсмособытия).

Крупномасштабные горные работы в высоконапряженных массивах существенно изменяют геодинамический режим в геологической среде, приводя к возникновению динамических явлений на контуре выработок и во вмещающем массиве горных пород, что подтверждается данными, представленными на рисунке 1а, где показано распределение по годам количества сейсмических событий, зарегистрированных на Расвумчоррском и Объединенном Кировском (ОКР) рудниках ОАО «Апатит» за 2006-2010 годы. Видно, что наблюдается спад значений в 2007 году по сравнению с 2006 годом, характерный для всех рудников. На Кукисвумчоррском крыле ОКР наблюдается спад значений до 2009 года и рост почти в два раза в 2010 году. Это связано с тем, что с конца 2008 года и в 2009 году горные работы велись менее интенсивно, чем в 2010. На Юкспорском крыле ОКР, начиная с 2007 года, не наблюдается значительных изменений числа событий. На Расвумчоррском руднике в 2010 году зарегистрировано значительно меньшее число сейсмических событий, что может быть связано с выходом из строя нескольких сейсмопавильонов (в результате чего снизились регистрирующие способности системы мониторинга).

Также отмечаются различия по суммарной выделившейся энергии зарегистрированных событий (рис. 1б). На Расвумчоррском руднике в 2006 году значение годовой суммарной выделившейся энергии не превышало 108 Дж, начиная с 2007 года, наблюдаются значения выше 108 Дж. На Юкспорском крыле ОКР наоборот, наблюдается спад значений на два порядка в 2010 году по сравнению с 2006 годом. На гистограмме, построенной для Кукисвумчоррского крыла ОКР, наблюдается незначительное превышение значений в 2007 году, связанное с прорастанием трещины отрыва в висячем боку и частичным обрушением пород консоли. Затем происходит постепенный спад до 2009 года и максимальный пик зафиксирован в 2010 году. Этот пик связан с тем, что 21 октября было зарегистрировано техногенное землетрясение с энергией порядка 109 Дж в зоне ведения горных работ Кукисвумчоррского крыла ОКР. Форшоки перед главным событием в этом районе не были зарегистрированы. Афтершоки наблюдались еще в течение недели после главного события.

а) количество событий

б) выделившаяся энергия

Рисунок 1. Количество зарегистрированных сейсмических событий и суммарная выделившаяся энергия по годам.

Проведенный анализ показал, что проблема проявлений техногенной сейсмичности для апатитовых рудников Хибин до конца не изучена и является актуальной. На сейсмический режим рудников оказывают влияние различные факторы (напряженное состояние массива пород, размеры и положение очистных пространств, продвижение и глубина горных работ, структурные неоднородности массива горных пород и т.д.), и поэтому техногенная сейсмичность на рудниках проявляется по-разному. Наблюдаются различия по количеству зарегистрированных событий, по суммарной выделившейся энергии и по другим показателям сейсмического режима. Поэтому в целях повышения безопасности при ведении горных работ необходимо более детальное изучение закономерностей проявления техногенной сейсмичности, что позволит с большей точностью осуществлять прогноз возможных зон формирования сильных сейсмических событий.

Следует учитывать, что идеология и цели прогноза зон повышенной сейсмоактивности в условиях рудника существенно отличаются от задач прогноза землетрясений. В условиях проявления техногенной сейсмичности в ряде случаев объявление тревоги не проблематично, поскольку связано с планируемым техногенным воздействием. В то же время требуется перспективный прогноз перехода массива в безопасное состояние. Причем под безопасным состоянием понимается малая вероятность как реализации мощных (энергия 106-108 Дж) единичных событий, так и большого количества слабых (энергия 104-105 Дж), то есть формирования зон повышенной сейсмоактивности. Следовательно, идеология прогноза должна быть ориентирована не только на прогноз единичных сильных событий, но и на выделение опасных участков массива, что обеспечит научно обоснованное применение необходимых профилактических мероприятий.

Основные результаты диссертационных исследований отражены в научных положениях, выносимых на защиту.

1. Методика комплексной оценки сейсмического режима при одновременном анализе зарегистрированных сейсмических событий по нескольким прогностическим критериям, отличающаяся объединением различных по физическому смыслу и дополняющих друг друга отдельных прогностических критериев, путем приведения их значений к сравнимому виду.

Для автоматизации процесса анализа баз данных сейсмологических наблюдений, формируемых при мониторинге на горнодобывающих объектах, разработана программная система MIEPS. Исходя из масштабов и времени подготовки прогнозируемых событий, возможности применения различных прогностических критериев, требований горнодобывающего предприятия к результатам прогноза, определены пространственно-временные параметры обработки данных: размер пространственных ячеек 200200 м, перекрытие ячеек на 75%, временное окно 30 дней, сдвиг окна на 1 день. При определении местоположения и конфигурации зон повышенной сейсмоактивности учитываются события с энергией 103-105 Дж, поскольку по результатам анализа параметров слабых сейсмических событий осуществляется прогноз сильных.

Целью использования показателей сейсмического режима (прогностических критериев), в первую очередь, является более точная локализация зон повышенной сейсмоактивности в пределах шахтного поля рудника. На настоящее время адаптированы к условиям Хибинского массива и применяются для прогноза следующие критерии: изменения фрактального размера пространственного распределения сейсмических событий; угла наклона графика повторяемости сейсмических событий; концентрационный; критерий средней длины трещин. Перечисленные прогностические критерии учитывают различные характеристики сейсмического режима такие как пространственное расположение сейсмических событий, распределение событий по энергетическим классам, количество и длина трещин.

Адаптация критериев к условиям ГрПТС «Хибины» показала неоднозначность результатов расчета вероятностей возникновения зон повышенной сейсмоактивности, поскольку эффективность прогноза по отдельным прогностическим критериям зачастую незначительна: в случаях, когда вероятность возникновения события достигает 75%, высока вероятность ложной тревоги (около 50%). Отсюда следует вывод – чтобы осуществлять с более высокой эффективностью прогноз зон повышенной сейсмоактивности массива горных пород необходимо совместное рассмотрение отдельных критериев.

Для совместного использования критериев, отражающих различные параметры потока сейсмической эмиссии, разработана методика комплексной оценки ряда отдельных критериев, суть которой заключается в следующем. Сначала значений каждого из прогностических критериев приводятся к сравнимому виду по формуле:

,

где: X – множество всех значений прогностического критерия; Xi – начальное значение прогностического критерия; – измененное значение прогностического критерия; i = [1..m], m – количество значений прогностического критерия. Значение комплексной оценки в ячейке определяется по формуле:

,

где N – количество отдельных прогностических критериев, – значение прогностического критерия. Таким образом, комплексная оценка ряда отдельных критериев позволяет учитывать поведение каждого критерия.

Для разных выборок сейсмических событий значения, как отдельных прогностических критериев, так и комплексной оценки отличаются. На рисунке 2 представлены три выборки сейсмических событий, отличающиеся по количественному составу, пространственному расположению сейсмических событий и по энергетическим характеристикам.

а)		Количество событий: 31 Суммарная энергия: 8·104 Дж Значение критерия: - фрактальный 0.28 - угол наклона 0.47 - концентрационный 4.78 - средняя длина трещин 2.28 Комплексная оценка: 0.59
б)		Количество событий: 21 Суммарная энергия: 1.2·103 Дж Значение критерия: - фрактальный 0.30 - угол наклона 0.50 - концентрационный 6.20 - средняя длина трещин 2.00 Комплексная оценка: 0.56
в)		Количество событий: 92 Суммарная энергия: 3.3·106 Дж Значение критерия: - фрактальный 0.47 - угол наклона 0.26 - концентрационный 1.48 - средняя длина трещин 5.13 Комплексная оценка: 0.52

Рис.2. Выборки сейсмических событий и их характеристика.

Из представленных на рис. 2 данных видно, что для трех выборок событий значения отдельных прогностических критериев различны. При комплексной оценке учитываются значения всех четырех отдельных критериев. Значение комплексной оценки для первой ячейки является наибольшим и составляет 0.59, для второй – 0.56, а для третьей – 0.52, что свидетельствует о том сделать вывод, что наиболее представительной является выборка в первой ячейке. Применение комплексной оценки позволяет учесть поведение всех отдельных критериев и точнее оценить прогностические параметры сейсмического режима в пространственной ячейке, чем при использовании одного критерия.

Также для каждой пространственной ячейки оценивается поведение прогностических критериев во времени и проводится анализ значений в периоды, когда было зарегистрировано сильное сейсмическое событие или серия событий. На рис. 3 показана динамика значений комплексной оценки в период с 17.04.2009 по 02.07.2009. Маркером отмечены даты проявления сильного сейсмического события и серии событий.

Рис. 3. Динамика значений комплексной оценки перед сильным событием.

критический уровень для значений комплексной оценки

Как видно из графика, значения комплексной оценки ведут себя по-разному на протяжении выбранного временного интервала. Вариация значений комплексной оценки незадолго до проявления сильных сейсмических событий одинакова: сначала наблюдается период устойчивых значений, затем - рост значений, после которого в течение нескольких дней происходит сильное сейсмическое событие. Анализ динамики поведения комплексной оценки показывает, что оба сильных сейсмических события можно считать спрогнозированными: событие, зарегистрированное 28.06.2009, - за два дня до его проявления; серия событий, происшедших 27.05.2009 – за три дня. Однако такой успешный прогноз удается получить не всегда: в ряде случаев наблюдаются как ложные тревоги, так и пропуски цели.

Таким образом, использование комплексной оценки позволяет совместно рассматривать различные прогностические критерии в качестве характеристик сейсмического режима массива горных пород, учитывая их динамику и поведение. Это позволяет более надежно осуществлять прогноз сейсмоактивных зон, а также проследить их миграцию, поскольку одновременно рассматриваются разные параметры сейсмического процесса, которые невозможно учесть в одном критерии.

2. На основании анализа динамики значений критерия комплексной оценки выделены четыре типа сейсмоактивных зон: растущие, пульсирующие устойчивые и затухающие. Причем наиболее опасными являются участки массива, в которых выявлены растущие и пульсирующие зоны сеймоактивности.

Одним из объективных показателей энергонасыщенности геологической среды является её сейсмическая эмиссия, оценка параметров которой положена в «Методику локализации сейсмоактивных зон в геологической среде и анализа их миграции в процессе ведения горных работ». Методика основана на том, что поведение прогностических критериев имеет некоторые закономерности, связанные с процессом подготовки сильного сейсмического события или серии событий. При достижении прогностическим критерием значений, близких к критическим, возрастает вероятность проявления сильного события. Аналогичное предположение было сделано и для комплексной оценки: существует некое пороговое значение (или уровень тревоги), при превышении которого возрастает вероятность возникновения сильного сейсмического события или серии событий.

Анализ сильных сейсмических событий, зарегистрированных на Кукисвумчоррском крыле ОКР в районе повышенной точности системы мониторинга за 2007-2010 г.г., показал, что среднее значение комплексной оценки перед сейсмическими событиями, составляет 0.47 (минимальное значение комплексной оценки 0.40, максимальное - 0.55). Для района повышенной точности Юкспорского крыла ОКР - 0.53 (диапазон от 0.45 до 0.59). На основании проведенных исследований была сделана классификация сейсмоактивных зон по типам их вероятного развития (таблица 1).

Таблица 1. Типы сейсмоактивных зон.

Тип зоны	Диапазон значений комплексной оценки
Растущая	0.50 и более
Пульсирующая	от 0.45 до 0.50
Устойчивая	от 0.40 до 0.45
Затухающая	менее 0.40

Блок-схема методики прогноза зон повышенной сейсмоактивности представлена на рисунке 4. В блоке проверки условий в качестве основного признака при определении типа сейсмоактивной зоны предлагается учитывать значения критерия комплексной оценки. Дополнительно к анализу этого критерия можно учитывать и конфигурацию сейсмоактивной зоны, сравнивая текущую конфигурацию с предыдущей.

Рис. 4. Блок-схема методики локализации сейсмоактивных зон.

На рисунке 5 приведен пример определения типа сейсмоактивной зоны на основе анализа динамики значений комплексной оценки в пространственной ячейке, в которой зарегистрированы 3 сильных сейсмических события (Кукисвумчоррское крыло ОКР).

Рис. 5. Пример определения типа сейсмоактивных зон.

Из этого примера видно, что сейсмоактивная зона может переходить от одного типа к другому, т.е. можно выделить стадии подготовки сильного сейсмического события или серии событий, что является важным этапом прогноза.

Полученные результаты представляют собой способ оценки сейсмоактивных зон, основанный на комплексном анализе параметров сейсмического режима, иллюстрацией которого может быть ретроспективный анализ горно-тектонического удара (ГТУ), который был зарегистрирован на Расвумчоррском руднике ОАО «Апатит» 4 февраля 2009 года (глубина гипоцентра горного удара от поверхности 350 м, при котором зафиксировано нарушение монолитной крепи суммарной площадью 20м2). На рисунке 6 представлен результат расчетов распределения значений комплексной оценки за 4 дня до проявления события. ГТУ произошел в зоне повышенной сейсмоактивности растущего типа. Выработки, в которых были зафиксированы нарушения и вывалы пород вследствие удара, расположены в зоне опорного давления от очистных работ, влияния тектонических нарушений и бровки обрушения покрывающих пород висячего бока. ГТУ произошел в месте наибольшей концентрации сжимающих напряжений (около 70 МПа) в висячем боку рудной залежи в зоне опирания консольного зависания подработанных пород, непосредственно под фронтом отбойки вышележащего горизонта +550 м. Наиболее значительные разрушения имели место в северном откаточном штреке. Важным фактором, кроме перечисленных выше, является направление max в этом районе - практически вкрест простирания рудного тела, что обуславливает бльшую удароопасность выработок штрекового направления.

Рис. 6. Сейсмоактивная зона за 4 дня до проявления горно-тектонического удара и распределение максимальной сжимающей компоненты напряжений max в массиве пород Расвумчоррского рудника ОАО «Апатит» на горизонте +530м.

- проекция фронта очистной выемки вышележащего горизонта +550 м

- часть выработки СОШ; - место горно-тектонического удара

- векторы max

Таким образом, на основании анализа динамики комплексной оценки и конфигурации сейсмоактивных зон можно определить периоды перехода участков массива пород в опасное или безопасное состояние: уменьшение значений комплексной оценки, как правило, свидетельствует о начале перехода участков массива горных пород в безопасное состояние.

3. Установлено, что среднесрочный прогноз сильных сейсмических событий (с энергией 106–108 Дж) на Хибинских апатитовых рудниках возможен при варьировании длительности периода наблюдений (от полугода до 1 года) и при учете геомеханического состояния вероятной зоны подготовки события. Наилучшие значения вероятностей (до 88%) наблюдаются для сильных сейсмических событий, приуроченных к консоли пород висячего бока.

В основу методики прогноза сильных сейсмических событий для условий рудников Хибинского массива положен алгоритм расчета ретроспективных статистических характеристик динамических прогностических признаков по А.Д. Завьялову. Для каждого критерия рассчитываются длительность времени тревог; средняя длительность времени тревог; длительность времен ложных тревог; средняя длительность времен ложных тревог; вероятность прогноза; вероятность ложной тревоги; вероятность пропуска цели; эффективность прогноза по времени; эффективность прогноза по площади.

Наиболее значимым параметром оценки применимости прогноза наряду с вероятностью возникновения является время ожидания прогнозируемого события. Это связано с тем, что при прогнозировании опасной ситуации горнодобывающее предприятие (по экономическим соображениям) не может останавливать ведущиеся работы на длительный срок. Приемлемым может приниматься во внимание только краткосрочный прогноз (время ожидания события не более 3 дней). Результаты среднесрочного прогноза (время ожидания события до 1 месяца) могут быть приняты к сведению, однако остановка горных работ на такой длительный срок является проблематичной.

Статистические характеристики, полученные для отдельных прогностических критериев, зачастую не удовлетворяют требованиям практики: значения вероятностей обнаружения сильного сейсмического события являются низкими (менее 50%) при времени ожидания более месяца. Для одной пространственно-временной выборки сейсмических событий результаты прогноза по разным критериям могут сильно отличаться. Установлено, что применение комплексного подхода позволяет достичь лучших результатов: уменьшение времени ожидания прогнозируемого события при увеличении вероятности прогноза его возникновения.

Прогноз сильного сейсмического события по комплексу прогностических критериев проводился двумя способами: по формуле Байеса и с использованием комплексной оценки. Результаты прогноза являются близкими, однако, использование байесовского подхода является менее оперативным и поэтому менее предпочтительным для горнодобывающего предприятия, чем расчет по методике комплексной оценки.

В условиях постоянного техногенного воздействия на массив горных пород параметры сейсмического режима варьируют в широких пределах. В течение короткого времени участки массива горных пород с низким уровнем сейсмической активности могут стать зонами повышенной сейсмоактивности из-за искусственно созданных условий реализации сейсмических событий. Сейсмический режим рудника, наблюдаемый 10 лет назад, отличается от современного. Поэтому было сделано предположение, что для получения приемлемых результатов прогноза проявлений техногенной сейсмичности при ведении горных работ необходимо разделять сейсмологический каталог по времени. При определении периода наблюдения учитывалось, что время подготовки сильного сейсмического события класса К=6 составляет примерно 30 дней. Для того чтобы оценить вероятность его возникновения необходимо накопить некоторый объем данных о ранее происшедших сильных сейсмических событиях. Поэтому период наблюдения, для которого рассчитывались значения прогностических критериев, варьировался от полугода до нескольких лет. Расчет статистических характеристик проводился за 1 день до проявления сильного события. Экспериментальная проверка предположений проводилась ретроспективно для сильных сейсмических событий, зарегистрированных на Кукисвумчоррском крыле ОКР (в районе повышенной точности АСКСМ-ОКР) с мая 2007 г. по октябрь 2010 г. В таблице 2 представлены результаты ретроспективного анализа для тех случаев, когда вероятность проявления события составляет от 70% и выше.

Таблица 2. Сводная таблица ретроспективных статистических характеристик для комплексной оценки.

Событие (дата, энергия)	длительность периода наблюдения (дни)	площадь наблюдения	среднее время ожидания события (дни)	средняя длительность ложных тревог (дни)	вероятность проявления события	вероятность ложной тревоги	эффективность прогноза по времени	эффективность прогноза по площади
14.05.2007 E=2.1·106Дж	182	S4	24	31	0.80	0.26	2.69	13.44
29.07.2007 E=8.4·106Дж	182	S3	8	37	0.71	0.25	2.65	30.05
21.02.2009 E=1.0·106Дж	182	S2	3	30	0.75	0.29	2.56	27.50
17.08.2009 E=1.0·106Дж	365	S4	7	31	0.87	0.20	4.99	51.79
08.05.2010 E=1.0·106Дж	182	S1	4	32	0.83	0.21	3.87	28.93
	182	S3	19	31	0.88	0.28	2.97	46.89
	182	S4	19	33	0.88	0.19	4.00	26.05
27.06.2010 E=1.0·106Дж	365	S4	24	30	0.83	0.27	2.95	52.81
	182	S4	21	31	0.83	0.36	2.22	30.09

Обозначения: S1 – район повышенной точности АСКСМ-ОКР, S2 – исключены события, приуроченные к лежачему боку месторождения, S3,S4 (S3>S4) – вероятная зона подготовки сильного события. Расчеты проводились по методике А.Д.Завьялова.

Как видно из данных таблицы 2, лучшие значения вероятностей возникновения сильного сейсмического события, в основном, наблюдаются при рассмотрении не всей области наблюдений, а отдельной сейсмоактивной зоны, в которой произошло сильное событие. Следовательно, при расчете необходимо рассматривать такую выборку сейсмических событий, в которую попадают только те, которые участвуют в подготовке сильного события. Таким же образом необходимо проводить расчеты и при перспективном прогнозе: рассматривать не всю область наблюдений, а выделять сейсмоактивную зону, в которой возможна реализация сильного события.

Также наблюдаются отличия результатов при рассмотрении различных периодов наблюдений. В некоторых случаях лучшие результаты наблюдаются для периода, равного 1 год, в других – для периода, равного 0.5 года. Значения вероятностей, рассчитанные для одинаковой пространственной области, в 58% случаях больше для периода наблюдений, равного 182 дня. В 35% случаях значения вероятностей больше для периода наблюдений, равного 365 дней. И в 6% случаях наблюдаются одинаковые значения. Значения времени ожидания сильного сейсмического события в большинстве случаев удовлетворяют требованиям среднесрочного прогноза. В некоторых случаях результаты близки к требованиям краткосрочного прогноза.

Кластерный анализ всех сейсмических событий позволил разделить их на группы. На рисунке показано местоположение зарегистрированных на Кукисвумчоррском крыле ОКР сильных сейсмических событий и значение вероятности того, что событие произойдет, рассчитанное за 1 день до проявления события.

Рис. 7. Сильные сейсмические события и значения вероятностей их возникновения

Как видно из представленных на рисунке 7 данных, выделяются несколько групп сильных сейсмических событий:

- Первая группа событий - вблизи разлома (в районе 9 разреза, между магистралями 500-650 м), в висячем боку месторождения; значения вероятности проявления для событий от 47% до 88%.

- События второй группы произошли в висячем боку месторождения, вблизи окисленной зоны (разрезы 12-15, между магистралями 600-700 м); значение вероятности проявления события от 50% до 83%.

- Третья группа событий приурочена к окисленной зоне (разрезы 18-23, между магистралями 450-700 м); значения вероятностей проявления событий как низкие (21%), так и высокие (80%).

- Остальные сильные события – одиночные; значения вероятностей таких событий невысокие (от 32% до 56%).

Из вышесказанного следует, что наилучшие значения вероятностей наблюдаются для сильных сейсмических событий, приуроченных к консоли обрушаемых пород висячего бока (до 88%).

Таким образом, установлено, что сильные сейсмические события зачастую проявляются в одних и тех же зонах повышенной сейсмоактивности. Результаты прогноза удовлетворяют требованиям среднесрочного, а иногда – краткосрочного прогноза, т.е. близки к требованиям горнодобывающих предприятий по эффективности прогноза. В связи с этим сделан вывод, что целесообразно прогнозировать не только отдельные события, но и выделять опасную область, для которой необходимо разрабатывать и проводить комплекс профилактических мероприятий. Результаты расчетов статистических характеристик должны также учитываться при планировании объемов необходимых профилактических мероприятий.

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи оценки сейсмического режима геологической среды в условиях разрабатываемых апатит-нефелиновых месторождений Хибинского массива. Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработана программная система MIEPS для комплексного анализа базы данных зарегистрированных сейсмических событий.

2. Разработана методика комплексной оценки сейсмического режима по ряду отдельных прогностических критериев, позволяющая оперативно проводить анализ контролируемого участка массива горных пород.

3. Разработанный комплексный подход к локализации сейсмоактивных зон в геологической среде позволяет разделять их на типы в зависимости от динамики развития, что является основой для разработки профилактических мероприятий по предупреждению проявлений техногенной сейсмичности.

4. Проведена адаптация методики комплексного прогноза техногенной сейсмичности к условиям Хибинских апатитовых рудников. Показано, что результаты прогноза отдельных сильных сейсмических событий приемлемы для среднесрочного прогноза, а в некоторых случаях - для краткосрочного прогноза, при этом вероятность прогноза повышается до 70-88%.

5. Показано, что лучшие результаты прогноза наблюдаются при рассмотрении вероятной области подготовки сильного сейсмического событий, а не всей зоны регистрации системы сейсмического мониторинга.

6. Установлено, что наилучшие значения вероятностей проявления наблюдаются для сильных сейсмических событий, приуроченных к консоли висячего бока. Сделан вывод, что целесообразно прогнозировать не только отдельные сейсмические события, но и выделять опасную область, в которой необходимо применять профилактические мероприятия.

7. Разработанный подход к «Региональному прогнозу отдельных сильных сейсмических событий в условиях техногенного воздействия на массив горных пород» может быть использован для анализа состояния массива в режиме реального времени. В настоящее время полученные результаты используются для модернизации «Методики регионального прогноза удароопасности на рудниках ОАО «Апатит».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кузьмина О.Г. Система прогнозирования сильных сейсмических событий. // IX Региональная научная конференция. (Апатиты, 13-14 апреля 2006 г.). Тезисы докладов. Часть 3. – Апатиты, КФ ПетрГУ, 2006. – с. 22.

2. Fedotova, Yuliya V., Olga G. Zhuravleva The system forecasting mining-induced catastrophes on mining operations in the Kola Peninsula. // Mining in the Arctic: сб. тезисов. – Kjeoy, Norway, 2007.

3. Журавлева О.Г. Разработка комплексной методики прогноза техногенных землетрясений по данным сейсмических наблюдений на Хибинских апатитовых рудниках. // Проблемы недропользования. Материалы II всероссийской молодежной научно-практической конференции, 12-15 февраля 2008 г. – Екатеринбург: УрО РАН, 2008. – с.365-373.

4. Журавлева О.Г. Вопросы применения комплексной методики прогноза техногенных землетрясений на Хибинских апатитовых рудниках. // Глубокая переработка минеральных ресурсов. Сборник материалов IV школы молодых ученых и специалистов «Сбалансированное природопользование» (6-8 ноября 2007 г.). – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. 2008. – С. 46-51.

5. Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Методические положения и некоторые результаты прогноза тектонических землетрясений на рудниках Кольского полуострова. // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: сб. научн. тр. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2008. – С. 502-506.

6. Журавлева О.Г. Оценка результатов прогноза сейсмичности для различных пространственных областей Хибинского массива. // Добыча и переработка руд в условиях ухудшения их залегания и снижения качества: сб. тезисов. – Апатиты: КНЦ РАН, 2009. – C. 12.

7. Панин В.И., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Анализ сейсмического режима как способ отражения энергетической модели массива. // Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ: Сб. тр. Всероссийской научной конференции с международным участием, 23-26 сентября 2008 г. – Апатиты; СПб.: Реноме, 2009. – С. 304-308.

8. Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Комплексный критерий оценки удароопасности пород по параметрам сейсмической эмиссии. // Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов. Труды Всероссийской (с международным участием) конференции. – Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2009. – C. 271-274.

9. Журавлева О.Г. Применение кластерного анализа для прогноза проявлений техногенной сейсмичности. // Сбалансированное природопользование. Охрана природы Севера, современные вызовы и решения: сборник докладов V Школы молодых ученых. – Апатиты, 2010. – С. 90-92.

10. Караваева Ю.А., Журавлева О.Г. Анализ влияния статических и динамических критериев на техногенную сейсмичность Хибинских апатитовых рудников. // Сборник научных трудов КФ ПетрГУ. Вып. 4. Том 1. / Отв. ред. В.А. Путилов. - Апатиты: Изд-во ПетрГУ, 2010. - C. 90 - 94.

11. Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. К прогнозу возможных зон формирования сильных сейсмических событий по комплексу прогностических критериев на Хибинских апатитовых рудниках. // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тезисы докладов 8-й Международной школы-семинара, Санкт-Петербург. – М.: ИФЗ РАН, 2010. – С.46.

12. Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г., Звонарь А.Ю., Запорожец В.Ю. Выделение зон повышенной сейсмоопасности по комплексу прогностических критериев. // Горный журнал, 2010. № 9. – С. 44-47.

13. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Оценка сейсмоопасности массива пород при техногенном воздействии горных работ по комплексу прогностических критериев. // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Том I : сб.научн. тр. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. – С.15-19.

14. Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Комплексный прогноз изменений сейсмического режима на Хибинских апатитовых рудниках. // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных, Материалы шестой Международной сейсмологической школы. – Обнинск: ГС РАН, 2011. - С. 170-174.

15. Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Выявление зон повышенной сейсмоактивности массива горных пород и их взаимосвязи с горно-геологическими условиями. // Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов: сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Горного института КНЦ РАН. — Апатиты; СПб., 2011. — С.380-385.