Про застосування методу ССП для прогнозування геодинамічних явищ

Раптові геодинамічні явища забирають багато людських життів і залишають після себе масу руйнувань. Будь то землетруси, гірські удари або раптові викиди порід на шахтах і рудниках - у них є одне спільне: вони непрогнозовані. Власне кажучи, вказівка на це міститься в їхній назві. Назвавши явище раптовим, ми тим самим як раз і визнаємо його не прогнозованим.

Прогнозувати те чи інше явище - значить спостерігати процеси, які його готують, з тим, щоб екстраполюючи їх в перспективу, оцінювати ймовірність виникнення цього явища. Само собою зрозуміло, що якщо фізика явища невідома і невідомі процеси, йому попередні, то про прогнозування не може бути й мови.

Теоретичні розробки в області геодинамічних явищ базуються на тому, що причиною їх є підвищений напружений стан гірських порід, що призводить до різного роду енергетичним дисбалансів. Тобто мова йде про субстанціях, що не підлягають експериментального дослідження. Тому що як енергію, якимось чином запасається в земній товщі, так і напружений стан гірських порід оцінити ні прямими, ні непрямими вимірами на сьогоднішній день неможливо. Докладніше про це в роботі [1].

Теоретичні побудови на основі положень, експериментально не реєструються, є, по суті, побудовами гіпотетичними, і тут дуже важливо, щоб не повторилася історія з теоретичної акустикою. Адже вся доля цієї області фізики на більш ніж 150 років визначилася уявними моделями великого математика Пуассона, а сучасна теорія основним своїм призначенням має розробку обгрунтувань заборон на будь-які експериментальні дослідження поля пружних коливань. Тому всі подальші побудови цієї роботи будуть базуватися виключно на експериментальних даних.

Прорив у прогнозуванні геодинамічних явищ виник в результаті розробки методу і відповідної апаратури для прогнозування обвалення порід покрівлі в умовах вугільних шахт [2]. Ідея цього прогнозування полягає в наступному. Перш, ніж обрушитися, породи покрівлі повинні спочатку відшаруватися від вищерозміщеного породного масиву. Отже, вірогідність обвалення порід покрівлі визначається наявністю і місцезнаходженням поверхонь потенційного і фактичного розшарування порід. Або, інакше кажучи, наявністю і місцезнаходженням поверхонь ослабленого механічного контакту (ОМК) [3].

Як виявилось, в умовах шаруватого масиву вугленосної товщі інформація, що отримується за допомогою спектрально-акустичних (спектрально-сейсморозвідувальних) вимірювань в основному і полягає у виявленні місцезнаходження залягають у вугленосної товщі поверхонь ОМК і ступеня ослаблення з цих поверхонь. В результаті, цей підхід до розробці методики оцінки і прогнозування стійкості покрівлі виправдав себе повністю.

З позицій спектрально-акустичних вимірювань, шаруватий гірський масив є не сукупністю відображають поверхонь, а являє собою сукупність коливальних систем. А будь-яка коливальна система характеризується значенням власної частоти f0 і величиною добротності Q. Стосовно гірського масиву, при спектрально-акустичних вимірюваннях значення частоти f0i зв'язані по формулі (1) з відстанями hi від оголення покрівлі до відповідних поверхонь ОМК.

(1)

де - Швидкість поперечних (зсувних) пружних коливань. Для гірських порід Vсдв = 2500м/с, з похибкою, що не перевищує 10%.

Величини ж добротності Qi визначаються рівнями ослаблення механічного контакту по кожній з цих поверхонь. Чим слабкіше зчеплення між породними шарами, тим більш високу добротність мають коливання на відповідній частоті.

На рис.1 дається ілюстрація практичного використання методу спектрально -- сейсморозвідувальних профілювання (ССП) для оцінки стійкості покрівлі конвеєрного штреку 5а-6-8 шахти "Распадская" (Південний Кузбас). Згідно з результатами буріння, здійсненого поблизу 15-го м профілю, покрівля представлена монолітним пісковиком 17-метрової потужності (товщини). Вище пісковика йде піщанистого сланець, і границя між цими двома породами досить різка. На висоті 10 м в піщанику залягає шар галечника. Така покрівля вважається досить стійкою і не потребує скільки-небудь серйозного кріплення.

При проведенні ССП обидві ці межі підтвердилися. Як на висоті 17 м1, так і на висоті 10 м є екстремуми, що підтверджують наявність виявлених бурінням кордонів.

Екстремум на висоті 10 м має меншу амплітуду (а амплітуди ці якраз і мають сенс добротності), ніж на висоті 17 м. Це природно, тому що галечник досить слабко проявляється як межа. Тобто міцність керна в зоні галечника вище, ніж на кордоні між пісковиком і піщанистого сланцем2.

Рис. 1

Однак, як бачимо, на ССП-розрізі існує ще безліч гострих екстремумів на вельми незначних висотах. Згідно з цим, в піщанику починаючи з висоти, меншою, ніж 1 м, є багато різких кордонів, кількість яких змінюється по довжині профілю. Наявність цих кордонів, добротність яких досить значна, і досягає значення, рівного 30, безумовно свідчить про те, що покрівлю ні в жодному разі не можна відносити до монолітною, а отже, стійкою. У Насправді, метровий шар навіть дуже міцного пісковика - вельми ненадійного перекриття. Особливо в умовах шахти, де постійно йдуть промислові вибухи та інші динамічні впливу.

Природно, не може не виникнути питання, чому ці кордону на малих, найістотніших для оцінки стійкості висотах, не були виявлені бурінням. Як виявилося в Надалі, в результаті аналізу обрушилися порід покрівлі, межі на малих висотах були обумовлені наявністю вуглистих надтонких прошарку. За допомогою буріння такі межі визначити не можна, тому що керн при їх перетині ламається, а оскільки буріння йде з промиванням, то сліди вугілля на зламах керна вимиваються промивної рідиною.

Коли породи покрівлі такого типу, звані труднообрушаемимі, все-таки обрушаются, це відбувається, як правило, дуже бурхливо, з потужними звуковими ефектами. І оскільки відбувається це завжди раптово й несподівано, то пояснюється саме вивільненням енергії, запасеної в породах, що перебувають у напруженому стані. Що виглядає особливо переконливо, якщо вироблення знаходиться на великій глибині. Однак якщо володіти інформацією про те, що піщаник на самому справі не монолітний, а мелкослоіст, з великою кількістю вуглистих прошарку, то обвалення таких порід просто під власною вагою видається цілком логічним. А головне, прогнозованим.

Однак сам факт шаруватості порід покрівлі, виявлений за допомогою методу ССП, дозволяє лише припустити механізм обвалення покрівлі, але не наближає нас до вирішення проблеми прогнозування цього геодинамічного явища. Оскільки прогнозування - це процес спостереження розвитку подій, що підготовляють прогнозоване явище, то в даному випадку було необхідне здійснення моніторингу при спостереженні стану покрівлі методом ССП.

Такий моніторинг був здійснений [4] в одній з виробок шахти "Распадская", протягом двох років, від моменту її проходки і до погашення. При цьому в ході моніторингу було видно, як процес відшарування порід покрівлі під власною вагою поширювався знизу вгору, а потім, зверху вниз пішов процес провисання породних шарів. Обвалення покрівлі сталося в той момент, коли найбільша відшарування порід було на висоті 10м, а нижні шари були притиснуті один до одного сильно провісшимі верхніми шарами.

Тепер, коли процес підготовки обвалення покрівлі опинився Простежена спочатку до кінця, і, таким чином, фізика обвалення стала гранично ясна, вже немає необхідності в проведенні моніторингу. Зрештою, коли мова йде про безпеки шахтарів, нікого не цікавить точний час обвалення порід покрівлі: головне полягає в тому, щоб оцінити ймовірний характер обвалення, і тим самим обгрунтувати систему кріплення виробки. А це ми отримаємо і при одиничному ССП-вимірі.

Дійсно, якщо породи покрівлі мелкослоісти, то обвалення їх буде відбуватися у вигляді висипання, і отже, в штреках така покрівля повинна бути затягнута сіткою, а в очисних вибоях потрібно стежити, щоб площа оголення покрівлі була нульовою. Якщо при високій міцності порід покрівлі наявність найближчих до поверхні оголення поверхонь ОМК спостерігається на глибинах, скажімо, 2-3 метри, то це вкрай небезпечний випадок. Злам такий 2-3-метрової "дошки" відбувається завжди несподівано і створює підвищені навантаження на кріплення. Застосування методики прогнозу стійкості кровлі3, заснованої на використанні методу СЗП, давало змогу здійснювати оптимальний вибір паспорта кріплення, що є головним фактором при забезпеченні безпеки у вугільних шахтах.

Спостереження за характером обвалення порід покрівлі в максимально широкому діапазоні геологічних і технологічних умов, і при цьому, у всіх вугільних регіонах СРСР, показало, що описаний вище підхід до прогнозування стійкості підземної виробки є надійним і майже універсальним. Майже - тому що в деяких, правда, дуже рідкісних випадках навіть монолітні і дуже міцні породи не є стійкими. У цих випадках міцні породи покрівлі при обваленні бувають зруйновані як би на плиточки. Кожна плиточка - дуже міцна, між ними немає ніякого стороннього матеріалу, і тривалий час було незрозуміло, чому ці міцні породи опиняються зруйнованими таким чином.

Розгадка прийшла, коли ми навчилися виявляти зони тектонічних порушень. Як виявилось, в зонах тектонічних порушень весь породний стовп, що знаходиться безпосередньо над розривних тектонічних порушенням знаходиться в стані підвищеної порушеними. Для слабких порід така порушення виявляються тим, що вони являють собою як би спресований пісок. Міцні ж пісковики руйнуються в сукупність таких ось плиточок.

Таким чином, повний надійний прогноз та оцінка стійкості порід покрівлі повинні здійснюватися за допомогою двох досліджень - визначенням шаруватості порід і виявленням зон тектонічних порушень. Як те, так і інше здійснюється методом ССП. Однак якщо шаруватість порід визначається з гірських виробок, то зони тектонічних порушень найбільш повно виявляються при роботі на денній поверхні.

Ознакою тектонічного порушення є наявність воронкоподібне об'єкта на ССП-розрізі.

Перш ніж перейти до інших геодінамичних явищ, зупинимося на фізичному сенсі добротності.

Згадаймо класичний приклад руйнування мосту в результаті того, що проходили по ньому солдати йшли в ногу. При аналізі цієї події міцність мосту нікого не цікавить. Головне - у величині добротності мосту як коливальні системи. Кожен удар каблуками викликає власні затухаючі коливання мосту. Якщо швидкість затухання цих коливань мала, то кожен наступний удар буде відбуватися в момент, коли вже виникли коливання ще не затухлі. І при відповідному співвідношенні власної частоти мосту і частоти кроків може початися зростання амплітуди коливань. Це явище резонансу (тобто збігу власної частоти з частотою впливу) добре вивчено, зокрема, в електротехніки та легко моделюється. Чим менше швидкість загасання, тим гостріше резонанс, тобто тим швидше відбувається нарощування амплітуди. Добротність Q назад пропорційна швидкості загасання, і оперувати нею зручно тому, що вона легко виявляється при спектральному зображенні сигналу. Чисельне значення добротності показує, у скільки разів збільшується амплітуда коливань на резонанс.

При проведенні ССП на денній поверхні було відмічено, що найбільша добротність сигналу спостерігається зазвичай у зонах тектонічних порушень, поблизу самого вістря воронкоподібне об'єкта [5]. На рис. 2а наведено ССП-розріз, отриманий при профілювання вздовж західного кордону території, відведеної під Північні очисні споруди в Ольгине (СПб). Тут чітко видно воронкоподібний об'єкт, як відомо [6], що відповідає наявності тектонічного порушення. За міру наближення до вістря цього об'єкта добротність сейсмосігнала зростає, досягаючи на 170-му метрі профілю, на частоті, що відповідає глибині 180 м, значення, рівного 60.

Рис. 2

На рис. 2б показаний сейсмосігнал (на тимчасовій осі), отриманий на 170-му метрі профілю. Як видно з цього малюнка, в момент ударної дії (t0) збуджуються дві коливальні системи. Найбільш з них високочастотна, відповідна глибині кордону, приблизно рівною 100 м (див. рис.2), має невелику добротність і перестає проявлятися вже до моменту t1. Коливальний процес, що відповідає глибині 180 м (згідно з формулою (1), f 14 Гц), спадає по амплітуді дуже повільно. За наявності поблизу з цією точкою вимірювання механізму, що працює на частоті 14 Гц, неминучі резонансні явища.

І дійсно, поблизу цього місця спостерігається наступне резонансне явище.

В що знаходиться в цій зоні головному склянці аерації час від часу виникають сполохопідобний ефекти, відомі як гірські удари. Гірські удари - це техногенні мікроземлетрясенія, з якими найчастіше доводиться зустрічатися в різних гірських виробках. Гірські удари відбуваються під час роботи механізмів. Вони можуть завершитися руйнацією виробок і загибеллю шахтарів. При зупинці механізмів припиняються і гірські удари4.

Як нам тепер стало ясно, фізика виникнення гірських ударів наступна. При роботі механізму, що створює коливання, близькі за частотою до значення власної частоти відповідної геологічної структури, що знаходиться в зоні роботи цього механізму, амплітуда пружних коливань в породах збільшується аж до значення, коли відбувається різке, удароподобное просідання цієї структури, що і сприймається як гірський удар.

Гірські удари, які я спостерігав у виробках шахти "Распадская", відбувалися у вигляді несильних, беззвучний поштовхів з боку грунту. Амплітуда їх час від часу збільшувалася настільки, що вони змушували підстрибувати різні механізми, що знаходяться в шахті. Так, одного разу був підкинутий вугільний комбайн, який при цьому назад впав повз рейкових направляючих, і придавив що знаходиться поруч з ним шахтарі.

За свідченням шахтарів шахти "Першотравнева" (близько Луганська, Україна), там гірські удари супроводжуються потужним громом. При цьому може відбуватися падіння кріплення та обвалення порід покрівлі. Там також гірські удари припиняються при зупинці видобувних механізмів.

Описане тут резонансне явище призводить до збільшення амплітуди коливань не тільки в породному масиві, але і у спорудах, що стоять на ньому. І, зокрема, в залізничному полотні. Що, як виявилося, може викликати аварія потягу.

На рис. 3а наведено 200-метровий відрізок ССП-розрізу, отриманого при профілюванні в травні 1999 року уздовж залізничного полотна поблизу 1545 км ділянки Москва - Червоне, поблизу м. Гагаріна.

Розріз досить складний, характерний для раніше заболоченій, але осушеної місцевості. Заболочена місцевість формується, як відомо, в зонах множинних пересічних дрібних тектонічних порушень. На 80-му метрі профілю видно кордон на глибині близько 250 м, сигнал з якої має добротність, рівну 100, що багаторазово перевищує добротності сигналів по всіх інших кордонів. На рис. 3б показаний сейсмосігнал в цій точці вимірювань подібно до того, як це зроблено на рис. 2.

Як і на ріс.2б, сигнал містить дві гармонійні складові. Складова, відповідна кордоні, що знаходиться на глибині близько 60 м (близько 42 Гц) має добротність близько 10, і загасає гора?? до швидше, ніж складова, відповідна кордоні, що знаходиться на глибині близько 250 м (10 Гц).

При певному поєднанні швидкості проходження поїзда і відстаней між осями вагонів періодичність впливу коліс на насип може бути така, що момент проходження кожного колеса через зону з високим значенням добротності сейсмосігнала буде відповідати одній і тій же фазі його низькочастотної складової. При цьому від вагона до вагона буде наростати амплітуда коливань, що, при деяких конструктивних особливостях полотна, може завершитися сходом з рейок останніх вагонів.

Саме так і сталося в описуваної точці вимірювань. За 2 місяці до цих вимірів у зоні 80-го метра профілю (ССП-розріз якого наведено на рис.3) зійшли з рейок останні 4 вагони товарного потягу. Треба сказати, що при проведенні вимірювань на цій ділянці нам не було відомо про те, що ми проходимо через місце аварії поїзда. Побачивши під час контролю на моніторі комп'ютера аномально високу добротність сигналу, я всього лише висловив припущення про те, що дана зона є потенційно небезпечною для поїздів у зв'язку з можливістю формування геодинамічного явища. І тільки після цього я дізнався, що дійсно, ця гіпотеза виявилася правильною.

Таким чином, ми з'ясували, що земна товща, будучи за акустичними властивостями сукупністю коливальних систем, стає небезпечною по гірських ударів (то є з техногенних мікроземлетрясеніям) у зонах високих значень добротності цих коливальних систем. Але тоді і схід поїздів, які відбуваються в Відповідно до розглянутої фізикою, теж слід відносити до геодінамичних явища? ..

Наявність сучасних засобів мікросейса в сукупності з можливостями методу ССП дозволяють без проблем штучним чином створювати гірські удари з тим, щоб більш повно і, головне, експериментально вивчити їх фізику.

Рис. 3

Вивчення удароопасних районів за допомогою методу ССП дозволило зрозуміти фізику гірських ударів і запропонувати гіпотезу фізики природних землетрусів [7].

До жаль, мені довелося безпосередньо спостерігати тільки слабкі (менше 4 по шкалою Ріхтера) землетрусу, Нурек. За відчуттями, це мало відрізняється від спостерігалися мною гірських ударів. Мабуть, тільки тим, що поштовхи були більш плавними, ніж гірські удари. За існуючими свідченнями очевидців, при сильних землетрусах поштовхи чергуються з розривами суцільності земної поверхні.

Мені видається, що сильний землетрус являє собою як би суму двох явищ, одне з яких - гірські удари, а другий - розрив суцільності. Тобто, процес підготовки сильного землетрусу полягає в наступному. Слабкі поштовхи (які ми розглядаємо як аналог гірських ударів) поступово руйнують породи і послаблюють механічні зв'язки між окремими блоками породними настільки, що черговий поштовх може порушити суцільності середовища.

Відбуватися цей процес може тільки в зонах тектонічних порушень. По-перше, тому що саме в цих зонах добротність сейсмосігнала може досягати значень, при яких виникають гірські удари. А по-друге, породи в зонах тектонічних порушень з самого початку, ще до виникнення гірських ударів знаходяться в стані, ослабленому підвищеної мікронарушенностью. І тому ймовірність макроразрушеній найбільш велика саме в цих зонах.

Єдино чого не вистачає для того, щоб надати завершеність гіпотези формування умов, необхідних для розвитку землетрусів, це знання природи того механізму, який повинен виступати в ролі зовнішнього періодичного зусилля, що викликає гірські удари. Не викликає сумніву, що доповнити наші уявлення про фізику підготовки землетрусів можуть тільки натурні дослідження.

Таким чином, методика вивчення фізики підготовки природних землетрусів представляється як сукупність декількох типів вимірювань. По-перше, в сейсмоактивних районах слід здійснювати вимірювання методом ССП з тим, щоб виявити найбільш потужні тектонічні порушення, а в цих виявлених зонах -- ділянки з аномально високими значеннями добротності сейсмосігнала в інфразвукових частотному діапазоні. Другим етапом слід методом ССП здійснювати моніторинг виділених зон, щоб спробувати побачити зміни, які відбуваються з породної товщею в ході підготовки землетрусу.

На підставі вивчення існуючої наукової літератури та після участі у Четвертих Геофізичних Читаннях імені В. В. Фединского (березень 2002 р., Москва, Гіхону), я вважаю, що до вирішення задачі прогнозування землетрусів ми підійшли набагато ближче, ніж інші наукові колективи. Відмінність цього завдання від тих, які ми вже вирішили, полягає в тому, що якщо всі вони були вирішені за рахунок наших власних коштів, то це завдання вирішити без відповідних і достатніх інвестицій ми не зможемо. І якщо існують організації або окремі люди, зацікавлені у вирішенні задачі прогнозування землетрусів, то ми готові представити інформацію, на підставі якої може бути розроблений план здійснення описаних вище наукових досліджень.

Список літератури

Глікман А.Г. Методологічні аспекти застосування сейсморозвідки. Геологія, геофізика і розробка нафтових родовищ. N 10, 1999, с. 19-25.

Андрєєв В.П., Глікман А.Г. Геоакустіческій метод виявлення поверхонь ослабленого механічного контакту.// "Вугілля" .- 1985 .- N 9 .- с.52-54.

Симанський І.А., Стародубцев А.А. Методи визначення будови покрівлі вугільного пласта для оцінки її стійкості./Фізичні процеси гірничого виробництва. - Л.: ЛГМ .- 1989 .- с.94-99.

Симанський І.А., Стародубцев А.А. Вплив геомеханічних факторів на стан покрівлі гірських виработок./Механіка гірських порід. Записки ЛГМ, том 123 .- Л.: ЛГМ .- 1990 -- с.66-71.

Глікман А.Г., Стародубцев А.А. Про роль геофізичних методів при вирішенні інженерно-геологічних завдань.// Життя і безпеку. 1998, N 2-3,, с. 518-524.

Глікман А.Г., Стародубцев А.А. Досвід виявлення тектонічних порушень методом спектрально-сейсморозвідувальних профілювання. Бюлетень РАН "Екологічна безпека ", СПб, 1997, N 1-2,, с. 26-29.

Глікман А.Г., Стародубцев А.А. Про проблеми прогнозування раптових геодинамічних явищ.// "Геологія, геофізика і розробка нафтових родовищ ".- 2001 .- N 1 .- с. 28-33.