Основной задачей геомеханического мониторинга является изучение состояния горнотехнических систем «сооружение-массив» и фиксация его изменений в пространстве и во времени. При этом главная конечная цель заключается в разработке общей геомеханической модели исследуемой природно-технической системы, на основе которой можно решать любые геомеханические задачи. В качестве примера рассмотрена система геомеханического мониторинга, развернутая на рудниках АО «Апатит», намечены направления ее дальнейшего совершенствования.
Одним из наиболее сильных воздействий на окружающую среду является проведение горных работ, при этом среда, представленная массивом окружающих горных пород, вполне закономерно реагирует на эти воздействия, в частности, в виде развития деформаций и разрушений. Часто, при определенных условиях, эта реакция проявляется в виде динамических и газодинамических форм разрушения пород с интенсивным выделением энергии, что создает угрозы безопасности проведения работ.
В создавшейся ситуации выходом является разработка специальных комплексных подходов к оценке уровня воздействий на окружающую среду, организация контроля ее состояния (мониторинга) с осуществлением своевременных прогнозов и разработкой необходимых профилактических мер по предупреждению и минимизации последствий различного рода негативных явлений.
Мониторинг состояния окружающей среды может быть самым различным (экологический, гидрогеологический, радиологический, радиационный и др.), в зависимости от того, какие воздействия исследуются и какие параметры контролируются.
Геомеханический мониторинг заключается в контроле геомеханического состояния сложных природно-техни-ческих систем (ПТС), которые образуются вследствие взаимодействия горных сооружений и объектов с природной средой — массивом горных пород.
Вопросы организации мониторинга геомеханического состояния массива горных пород представляют собой новейшее направление геомеханики, как науки, которое сейчас активно развивается и которое пока еще, с точки зрения общих подходов и применяемых терминов, не является полностью сформированным. В настоящее время существуют различные точки зрения на задачи, методы проведения, общую организацию и последовательность этапов выполнения отдельных видов работ при разработке систем мониторинга состояния массива.
В результате ведения горных работ изменениям подвергаются все природные факторы — компоненты массивов пород, но в различной степени. Во многих случаях изменения свойств пород в процессе разработки могут быть мало заметны. В большей степени наблюдается изменение состояния структурных неоднородностей — раскрываются имеющиеся естественные структурные неоднородности; происходят подвижки по разрывным нарушениям (разломам); образуются новые, техногенные нарушения (трещины). Но в еще большей степени и, практически, повсеместно, имеет место изменение естественного напряженного состояния различных блоков массивов пород.
Изучение геомеханического состояния горнотехнических систем «сооружение-массив» и фиксация его изменения в пространстве и во времени является основной задачей геомеханического мониторинга, который требуется организовывать для получения необходимой информации в целях обеспечения безопасности ведения горных работ и эксплуатации любых сооружений, как в подземных условиях, так и на дневной поверхности. При этом главной конечной целью работ по оценке и контролю состояния природно-технических систем является создание общей геомеханической модели исследуемой природно-техниче-ской системы, на основе которой можно решать любые геомеханические задачи, а геомеханический мониторинг при этом является одним из основных методов решения этой общей проблемы.
Накопленный к настоящему времени опыт организации и проведения наблюдений по контролю геомеханического состояния массивов пород в условиях различных месторождений позволяет сформулировать общие принципы организации типовой единой комплексной системы геомеханического мониторинга и обозначить основные направления ее дальнейшего совершенствования.
При разработке систем комплексного геомеханического мониторинга должны быть учтены следующие положения:
• структура геомеханического мониторинга должна быть многокомпонентной и многоуровневой (иерархичной) и соответствовать структурным особенностям контролируемого массива (всей иерархии слагающих его блоков), результатам геомеханического районирования, и классам контролируемых объектов;
• геомеханический мониторинг должен быть комплексным с использованием различных методов наблюдений в соответствии с особенностями контролируемых объектов;
• структура геомеханического мониторинга должна быть оптимизирована с точки зрения экономических и технических затрат на его организацию;
• единая система геомеханического мониторинга должна быть открыта и предусматривать безболезненное подключение вновь появляющихся объектов контроля и применение новых методов наблюдений.
Общая концепция организации геомеханического мониторинга должна предусматривать выполнение следующих обязательных этапов:
1. Разработку моделей массивов пород и контролируемых процессов, выполнение геомеханического районирования территории рассматриваемых объектов и составление общей структурной схемы геомеханического мониторинга исследуемой при-родно-технической системы.
2. Выбор приоритетных контролируемых параметров.
3. Измерение этих параметров в натурных условиях.
4. Сопоставление расчетных и измеренных величин с целью верификации принятых моделей.
5. Расчет на моделях критических значений параметров, соответствующих переходу участков массива в опасное состояние.
6. Оценку современного состояния контролируемого объекта путем сопоставления измеренных и критических значений наблюдаемых параметров.
7. Разработку технических мер по обеспечению эффективности и безопасности горных работ.
8. Контроль реализации разработанных технических мер и их корректировка.
Здесь натурные измерения являются одной из необходимых, может быть даже основных, но отнюдь не исчерпывающих частей мониторинга массива горных пород. Между тем необходимо отметить, что до сих пор весьма распространены попытки свести мониторинг только к непрерывным натурным наблюдениям, чем существенно сужается общий подход к решению проблем его организации.
В перечне указанных этапов основными являются первые три этапа, а остальные можно рассматривать как производные от них.
Не является исключением и состояние указанной проблемы на рудниках АО «Апатит», где имеются примеры успешного решения отдельных частных задач и реализации методических разработок, но еще предстоит выполнить большой объем работ для создания единой комплексной системы мониторинга, способной решать различные геомеханические вопросы, в том числе и основной практический вопрос по повышению надежности прогноза динамических проявлений горного давления — горных ударов и техногенных землетрясений.
В качестве примеров реализации отдельных частных вопросов по организации систем мониторинга приведем результаты наблюдений на рудниках АО «Апатит» в пределах природно-технической системы «Хибины».
Массив пород Хибинских месторождений апатит-нефелиновых руд изучен весьма детально, так как разработка месторождений производится с 30-х годов прошлого столетия и масштабы добычи руд чрезвычайно велики.
К настоящему времени выполнен огромный объем исследований и получена детальная информация по всем компонентам массива. Геомеханические модели массива и горнотехнической ситуации регулярно разрабатываются для каждого блока месторождений, вводимого в эксплуатацию. При этом используется математическое моделирование на основе применения методов конечных элементов. Решения выполняются с использованием результатов постоянно выполняемых непосредственных натурных измерений параметров напряженного состояния.
В настоящее время на рудниках АО «Апатит» развернута сейсмическая сеть, обеспечивающая контроль состояния массива пород в зоне проведения горных работ с разрешением в пространстве порядка от нескольких до сотен метров. Сейсмическая сеть эксплуатируется около 30 лет, в результате накоплен значительный опыт организации подобных наблюдений и анализа получаемых результатов.
Начиная с 1990 г. на месторождениях Хибин выполняются деформационные измерения на измерительных полигонах, оборудованных в выработках Объединенного Кировского рудника (ОКР), в карьере Центральный и в транспортном тоннеле Рас-вумчоррского рудника.
Конкретные практические задачи проведения наблюдений в каждом случае были различными, однако общим направлением при выборе мест заложения и схемы полигонов являлось стремление получить информацию о развитии геомеханических процессов в условиях сложной геомеханической и горно-технологической обстановки.
В частности, в массиве пород ОКР, геодезические полигоны были оборудованы в подземных выработках гор. +252 и +172 м и на поверхности в Саамском карьере для контроля напряженно-деформированного состояния массива пород в районе крупной тектонической структуры — Саамского разлома
Зона заполнена окисленными породами, имеющими малую прочность по сравнению с породами массива. Мощность зоны на разных участках колеблется в пределах от 1 до 136 м. Северо-восточная часть разлома является руслом р. Лопарской, юго-западная часть — пересекает Саамский карьер.
На гор. +252 м ОКР регулярные наблюдения методом повторных нивелирований, соответствующие по точности наблюдениям на государственных высотных сетях II класса, были начаты в 1991 г. и выполнялись до 2013 г.
Поскольку нивелирные наблюдения обеспечивали измерения перемещений только в вертикальном направлении, для получения более полной картины изменения напряженно-деформированного состояния контролируемого массива пород подземные нивелирные полигоны в 1995 г. были дополнены измерительным светодальномерным полигоном из 5 пунктов в Саамском карьере. Наблюдения на этом полигоне проводились в период 1996—2003 гг., а затем были прекращены ввиду завершения работ в карьере и отсутствия доступа к пунктам наблюдений.
В 1998 г. были начаты наблюдения на нивелирном полигоне гор. +172 м по 39 пунктам. Поскольку первые наблюдения нагор. +172 м были выполнены до выполнения горных работ по массовой отработке блоков (2001 г.), здесь удалось зафиксировать начальное геомеханическое состояние массива.
В 2003 г. нагор. +252 м, также непосредственно в районе Саамского разлома, был заложен подземный светодальномер
Это позволяет сделать вывод о том, что изменению состояния Саамского разлома соответствует изменение сейсмической активности, как в теле разлома, так и в зоне его влияния.
Влияние структурных неоднородностей на деформирование массива пород проявляется и в результатах наблюдений на геодезических полигонах в карьере Центральный и в тоннеле Расвумчоррского рудника.
Геодинамическая ситуация в районе карьера Центральный отличается повышенной сложностью по сравнению с другими рудниками АО «Апатит». Это обусловлено высокой напряженностью массива пород в целом и большими объемами изъятой и перемещенной горной массы, а также наличием развитого подземного комплекса транспортных выработок (глубокие рудоспуски и тоннели большого сечения). Ситуация осложняется также подземными работами в непосредственной близости от карьера. Эти факторы обуславливают повышенную геодинамическую активность массива пород, что выражается в периодически происходящих в районе карьера Центральный крупных динамических проявлениях горного давления.
Объектом наблюдений в карьере является крупный разлом в пределах западного фланга карьера, вблизи которого осуществлялись крупномасштабные работы по формированию отвала пород и одновременно проводилась отработка открытым и подземным способами в пределах стыковочной зоны между подземным рудником и карьером.
Одновременно решались практические задачи контроля устойчивости северо-западного борта карьера при его подработке подземными работами.
Для решения поставленных задач и оценки общей геомеханической ситуации в 1999 г. на территории карьера Центральный был заложен светодальномерный полигон, который к настоящему времени состоит из 7-ми фундаментальных пунктов, располагающихся по обе стороны наблюдаемого разлома. Светодальномерные наблюдения выполнялись в период 1999—2012 гг. Весьма показательно, что по результатам наблюдений расстояние между пунктами, находящимися в районе отвала, нормальное к разлому, единственное из всех остальных, проявляет тенденцию к увеличению (с небольшим возрастанием скорости в период 30.08.06—06.10.08). Это свидетельствует о проявлении процессов растяжения (может быть и не очень сильных) в теле разлома. При этом необходимо учесть, чтовыход разлома на поверхность (или под поверхность) был сильно пригружен отвалом пород, который формировался здесь в течение многих лет. В то же время незначительные знакопеременные изменения расстояния между пунктами, находящимися у выхода разлома на поверхность показывают, что на этом участке разлом либо уже отсутствует, либо не проявляет заметной активности.
Поскольку для получения более полной картины о развитии геомеханических процессов в массивах пород, сеть наблюдаемых пунктов должна включать как полигоны надневной поверхности, так и полигоны непосредственно в подземном пространстве, в 2006 г. в тоннеле (под карьером Центральный) в районе 6-го рудоспуска был оборудован измерительный полигон для выполнения высокоточных нивелирных и светодальномерных наблюдений.
Целью организованных наблюдений в тоннеле является прогноз возможных сильных сейсмических событий в районе глубоких рудоспусков по результатам контроля состояния массива пород, в частности, смещений крупных структурных блоков.
Дополнительной мотивацией организации полигона в тоннеле послужило техногенное землетрясение с магнитудой М = 2,2 (по данным КФ ГС РАН), которое произошло в сентябре 2004 г. в районе карьера, в результате которого основные разрушения в выработках были зафиксированы на глубине 140 м от дневной поверхности. При этом в подземных выработках данное событие проявилось в виде серии толчков, произошедших в районе рудоспуска № 6 и выброса руды в объеме 0,2 м3 по южной стенке рудоспуска и ее сопряжению с кровлей. Колебания поверхности при данном землетрясении ощущались жителями г. Ки-ровск и пос. Кукисвумчорр. Необходимо отметить, что и после этого геодинамическая активность данного участка массива продолжала проявляться. Так, 13 февраля 2008 г. произошел вывал породы в тоннеле, на сопряжении пути № 7 с разворотной нишей (ПК8), а 25 мая 2009 г. ЦГМ АО «Апатит» был зарегистрирован рост сейсмической активности в районе рудоспусков карьера и крупное сейсмическое событие, отнесенное к техногенным землетрясениям. Источником этого землетрясения признана подвижка по разлому «Дразнящее эхо», а причинами — длительное техногенное воздействие во время эксплуатации месторождений «Плато Расвумчорр» и «Апатитовый цирк».
Светодальномерный полигон в районе рудоспуска № 6 пересекает все структурные блоки, образованные крупными трещинами. Светодальномерные наблюдения выполняются на пунк-тах, расположенных в пределах прямой видимости от места установки инструмента — фундаментального пункта, который условно считается неподвижным.
Полученные результаты высокоточного нивелирования и светодальномерных измерений свидетельствуют о резком изменении состояния массива и его деформирования. Также достаточно четко разделяются вертикальные перемещения контролируемого участка массива по времени — до и после сильного сейсмического события, произошедшего 25.05.09. Непосредственно после события вертикальные перемещения резко возросли (циклы 27.05.09 и 17.09.09), а затем уменьшились до значений, характерных для периода времени до сейсмического события. Последние 6 циклов наблюдалось незначительное поднятие реперов.
.
Результаты геодезических измерений были детально обработаны для разделения перемещений реперов, обусловленных подвижками самих структурных блоков, и перемещений, вызванных их деформированием, а также для оценки изменений степени напряженности выделенных структурных блоков.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что на рудниках АО «Апатит» к настоящему времени имеются, практически, все основные компоненты единой системы мониторинга, но они пока действуют в известной степени обособлено и первоочередной задачей дальнейших работ должно стать их объединение как методически, так и организационно, с целью обеспечения безопасности горных работ в условиях постоянно усложняющихся горно-геологических и горнотехнических условиях разработки апатит-нефелиновых месторождений
ЛИТЕРАТУРА:
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 4. С. 168-191. © 2016. А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, Ю.В. Федотова.