Геология и Геофизика Юга России

2221-3198

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"

1129

10.46698/VNC.2025.55.34.005

Геофизика

Сейсмобезопасные технологии подземной разработки рудных месторождений

Голик

В.И.

v.i.golik@mail.ru

Московский политехнический университет, Россия, 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, 38

24032025

15664

2024

Геология и геофизика Юга России

Рассмотрены условия применения сейсмобезопасных технологий при разработке рудных месторождений. Дана оценка сейсмического действия взрыва на подземные и поверхностные объекты инфраструктуры предприятия, обоснованы мероприятия по снижению сейсмического действия взрыва при разработке месторождений. Актуальность исследований определяется необходимостью повышения качества добываемых руд и ослабления вредного влияния производства на экологическую обстановку региона. Цель исследований. Совершенствование научных основ природоохранных и ресурсосберегающих технологий разработки рудных месторождений. Методы исследований. Данные о поведении массивов металлосодержащих пород исследованы известными статистическими методами. Результаты исследований. Показана важность учета сейсмического действия взрыва при использовании сейсмобезопасных технологий разработки месторождений для сохранения инфраструктуры предприятий. Обобщены сведения о допустимой скорости смещения для сооружений. Показано, что скорость смещения земной поверхности является функцией массы заряда ВВ. Детализирована стабилизирующая и ограничительная роль заполнения выработанного пространства твердеющими смесями, природными и наведенными напряжениями в управлении напряжениями, а также направленности фронта взрывной волны. Даны модели для расчета сейсмобезопасной массы заряда для объектов инфраструктуры и горных выработок. Даны рекомендации по управлению интенсивностью сейсмических колебаний под воздействием технологических факторов. Предложен критерий оценки опасности сейсмического действия взрыва в виде скорости смещения пород. Обобщены сведения о сейсмобезопасной массе заряда при взрыве его в скважине. Разработан регламент и периодичность мониторинга состояния рудовмещающего массива и инфраструктуры над ним. Результаты исследования представляют интерес для разработки твердых полезных ископаемых.

ore depositsrock massseismicexplosionmonitoringgeophysics

рудные месторожденияпородный массивсейсмикавзрывмониторинггеофизика

Введение Оптимизация проектов буровзрывных работ достигается за счет точности и надежности расчетов параметров взрыва, благодаря учету влияния участвующих факторов на результаты и безопасность работ и является перспективным резервом уменьшения негативного влияния на природную среду. Научно-технические основы сейсмобезопасной технологии подземной разработки месторождений с учетом геодинамики массива сформулированы работами исследователей, в том числе [Ляшенко и др.,2006; Голик и др., 2019]. Характер и параметры влияния свойств массива на его сейсмическую активность исследованы в работах [Zaalishvili et al., 2016; Козырев и др., 2018; Козырев и др., 2021; Музаев и др., 2022; Заалишвили, Голик, 2024; Бурдзиева и др., 2024]. Распределение сейсмических событий в массиве горных пород и связь его с тектоническим строением при отработке удароопасных месторождений носит устойчивый характер [Котиков и др., 2020; Жукова и др., 2022]. Мониторинг геодинамических явлений микросейсмическим методом при освоении сейсмоопасных месторождений обеспечивается методами шахтной геофизики [Ляшенко, Кислый, 2015; Голик и др., 2023; Еременко и др., 2022; Январёв, Бобомуротов, 2024]. Результаты ретроспективного анализа показателей сейсмической опасности крупных сейсмических событий в подземных шахтах получены рядом ученых [Nordström et al., 2020; Wang et al., 2021; Chakraborty, Goswami, 2021]. Для безопасности горных объектов наибольшую опасность представляют вибрации породного массива при взрыве горных пород [McQuillan, Bar, 2023; Yin et al., 2021; Gonen, 2022; Разумов и др., 2022; Рукавишников и др., 2023; Фоменко и др., 2022; Беляков, Емельянов, 2023]. Материал и методы исследований Обобщение, анализ, инженерное прогнозирование. Использованы результаты ранее выполненных исследований и публикации ГФИ ВНЦ РАН и других специализированных организаций и материалы автора. Использованы методы корреляционного анализа и другие способы обработки информации. Результаты исследований и их обсуждение При разработке рудных месторождений, сложенных скальными породами относительные деформации в рудовмещающих породах должны подчиняться условию: <img class="frame-74" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142004.png" alt="142004.png" /> где Ед − допустимая деформация; Ев − относительная деформация. Скорость смещения пород при взрыве Uв не должна превышать допустимую Uд: <img class="frame-75" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142011.png" alt="142011.png" /> Параметры смещения пород и сооружений приведены в таблице 1. Таблица 1 / Table 1 Допустимая скорость смещения для сооружений по классам /Permissible displacement rate for structures by class <table> <colgroup> <col class="Row-Column-76" /> <col class="Row-Column-77" /> <col class="Row-Column-78" /> <col class="Row-Column-78" /> <col class="Row-Column-78" /> <col class="Row-Column-78" /> </colgroup> <tbody> <tr> <td> Наименование пород / The name of the breeds </td> <td> Скорость продольных волн, м/с*103 / Name Velocity of longitudinal waves, m/s*103 rocks </td> <td> Допустимая скорость смещения для сооружений, классы, см/с / Permissible displacement velocity for structures, classes, cm/s </td> </tr> <tr> <td> 1 </td> <td> 2 </td> <td> 3 </td> <td> 4 </td> </tr> <tr> <td> Обломочные отложения / Block deposits </td> <td> 1‒2 </td> <td> 4.2 </td> <td> 8.3 </td> <td> 12.3 </td> <td> 20.3 </td> </tr> <tr> <td> Скальные весьма трещиноватые/The rocks are very fractured </td> <td> 3‒4 </td> <td> 9.6 </td> <td> 19.2 </td> <td> 28.4 </td> <td> 47.7 </td> </tr> <tr> <td> Слабо трещиноватые / Slightly fractured </td> <td> 5‒6 </td> <td> 14.7 </td> <td> 29.6 </td> <td> 44.6 </td> <td> 74.5 </td> </tr> <tr> <td> Монолитные без трещин /Monolithic without cracks </td> <td> 6‒7 </td> <td> 17.5 </td> <td> 35.4 </td> <td> 53.2 </td> <td> 89.3 </td> </tr> </tbody> </table> При производстве взрывов сейсмические сотрясения испытывают, и поверхностные, и подземные объекты. Скорость смещения земной поверхности является функцией массы заряда ВВ (Q): <img class="frame-83" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142027.png" alt="142027.png" />, см/с. Стабилизирующую и ограничительную роль в управлении напряжениями играет феномен заполнения выработанного пространства твердеющими смесями (рис. 1). <img class="frame-84" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142032.png" alt="142032.png" /> Рис. 1. Подэтажно-камерная система разработки с закладкой твердеющими смесями: 1 – прочность 4 MПа, 2 – прочность 3 MПа, 3 – отрезной восстающий, 4 – породный навал, 5 – погрузочный заезд, 6 – буро-доставочный орт / Fig. 1. A sub-floor-chamber development system with a foundation of hardening mixtures: 1 – strength of 4 MPa, 2 – strength of 3 MPa, 3 – cut-off rising, 4 – rock bulk, 5 – loading run, 6 – drilling and delivery ort Этому же способствует и рациональная направленность фронта взрывной волны при образовании экранирующей щели (рис. 2). Рис. 2. Вариант системы разработки с наклоном стенок камер на закладочный массив: 1 – контурная экранирующая щель / Fig. 2. Variant of the development system with chamber walls inclined to the backfill massif: 1 – contour shielding slot Сейсмобезопасная масса заряда для объектов инфраструктуры: <img class="frame-85" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142089.png" alt="142089.png" /> Сейсмобезопасная масса заряда для подземных сооружений: <img class="frame-86" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142102.png" alt="142102.png" /> При расположении выработок параллельно вееру: <img class="frame-87" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142108.png" alt="142108.png" /> При расположении выработок нормально к вееру: <img class="frame-88" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142117.png" alt="142117.png" /> Интенсивность сейсмических колебаний при прохождении взрывных волн через выработанное пространство уменьшается. Изменение интенсивности сейсмических колебаний при взрывной отбойке происходит под воздействием технологических факторов, в том числе: − в тылу взрыва заряда скорость возмущения массива в 1,5 раза больше, чем во флангах и в 2 раза, чем во фронтальной части; − наличие отрезной щели снижает сейсмический эффект в 1,5 раза; − при прохождении через выработанное пространство сейсмическое действие взрывной волны уменьшается в разы. Критерием оценки опасности сейсмического действия взрыва является скорость смещения пород. Уровень воздействия сейсмовзрывных колебаний устанавливается по скорости смещения U, которая формируется в среде при взрыве заряда Q на расстоянии r от сооружения (рис. 3). <img class="frame-89" src="Геол_журн__№1_2025-web-resources/image/142128.png" alt="142128.png" /> Рис. 3. Зависимость скорости сейсмоколебаний от приведенного веса заряда для условий: 1 – рудник 1; 2 – рудник 2 / Fig. 3. Dependence of the seismic vibration velocity on the reduced charge weight for the conditions of: 1 – mine 1; 2 – mine 2 Интенсивность сейсмических колебаний во многом зависит от расположения охраняемых объектов относительно фронта взрывных работ, поэтому необходимо стремиться к удалению фронта горных работ от зданий и осуществлять мониторинг напряженно-деформированного состояния массива в основании зданий и сооружений (табл. 2). Таблица 2 / Table 2 Регламент и периодичность мониторинга /Regulations and frequency of monitoring <table> <colgroup> <col class="Row-Column-90" /> <col class="Row-Column-91" /> <col class="Row-Column-92" /> <col class="Row-Column-93" /> </colgroup> <tbody> <tr> <td> Регламент / Regulations </td> <td> Содержание и задачи / Content and tasks </td> <td> Мероприятия / Events </td> <td> Периодичность / Periodicity </td> </tr> <tr> <td> Диагностика пород / Breed diagnostics </td> <td> Определение характера сдвижения пород, прогноз величин сдвижений и деформаций. Determination of the nature of rock displacement, prediction of the magnitude of displacements and deformations. </td> <td> Оборудование подземных наблюдательных станций. / Equipment of underground observation stations. </td> <td> Ежемесячно / Monthly </td> </tr> <tr> <td> Определение предельного состояния массива пород, профилактика критических деформаций. Determination of the limiting state of the rock mass, prevention of critical deformations. </td> <td> Звукометрические и акустические наблюдения / Sonometric and acoustic observations </td> <td> Ежемесячно / Monthly </td> </tr> <tr> <td> Контроль напряженно-деформированного состояния пород. Control of the stress-strain state of rocks. </td> <td> Геофизические исследования / Geophysical research </td> <td> Систематически / Systematically </td> </tr> <tr> <td> Контроль состояния пород/ Rock condition monitoring </td> <td> Определение зон обрушения стенок выработок. Identification of areas of collapse of the walls of workings / </td> <td> Визуальные наблюдения / Visual observations </td> <td> Еженедельно / Weekly </td> </tr> <tr> <td> Уточнение формы отработок / Clarifying the form of workings </td> <td> Инструментальные маркшейдерские съемки / Instrumental surveying </td> <td> При необходимости / If necessary </td> </tr> <tr> <td> Определение предельного состояния массивов пород и выработок / Determination of the limiting state of rock massifs and workings </td> <td> Звукометрические наблюдения / Sonometric observations </td> <td> Еженедельно / Weekly </td> </tr> </tbody> </table> Обеспечение безопасности горных работ во многом определяется эффективностью мер по снижению динамических форм проявления горного давления и методикой геофизического менеджмента горных работ. Выводы Сейсмовзрывные импульсы не должны превышать допустимые пределы: для зданий в хорошем состоянии – 3,0 см/с; в удовлетворительном – 2,0 см/с; в неудовлетворительном – 1,0 см/с. При изменении фронта горных работ, введении в эксплуатацию новых блоков необходимо проведение контрольных замеров уровня сейсмовзрывных сотрясений для уточнения условий распространения сейсмовзрывных колебаний и корректирования существующих зависимостей определения сейсмобезопасной массы заряда и сейсмобезопасного интервала замедления с учетом горнотехнических условий производства горных работ. Приведенные выше рекомендации могут быть использованы при выборе технологий выемки залежей руд с другим минералогическим составом.

Беляков Н.А., Емельянов И.А. Методика применения высокоточного массирования многокомпонентным датчиком одновременного преодоления. // Известия Уральского государственного горного университета. – 2023. – No 1(69). – С. 31–38. DOI 10.21440/2307-2091-2023-1-31-38.

Бурдзиева О.Г., Ревазов М.О., Кортиев А.Л., Гогичев Р.Р. Влияние воздействия геодинамических процессов на геоэкологическую нагрузку горного региона. // Геология и геофизика Юга России. – 2024. – Т. 14. No 4. – С. 166–179. DOI: 10.46698/VNC.2024.50.44.014

Голик В.И., Бурдзиева О.Г. К концепции разработки месторождений Садонского рудного пояса. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. No 3. – С. 180–192. DOI: 10.46698/VNC.2023.26.85.014.

Голик В.И., Разоренов Ю.И., Дмитрак Ю.В., Габараев О.З. Повышение безопасности подземной добычи руд учетом геодинамики массива. // Безопасность труда в промышленности. – 2019. – No 8. – С. 36–42. DOI: 10.24000/0409-2961-2019-8-36-42.

Заалишвили В.Б., Голик В.И. Геофизическое обеспечение горного производства. // Геология и геофизика Юга России. – 2024. – Т. 14. No 3. – С. 85–98. DOI: 10.46698/t6803-6487-0430-d.

Жукова С.А., Журавлева О.Г., Онуприенко В.С., Стрешнев А.А. Особенности сейсмического режима массива горных пород при отработке удароопасных месторождений Хибинского массива. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – No 7. – С. 5–17. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_5.

Козырев А.А., Батугин А.С., Жукова С.А. О влиянии обводненности массива на его сейсмическую активность при разработке апатитовых месторождений Хибин. // Горный журнал. – 2021. – No 1. – С. 31–36. DOI: 10.17580/gzh.2021.01.06.

Козырев А.А., Семенова И.Э., Журавлева О.Г., Пантелеев А.В. Гипотеза происхождения сильного сейсмического события на Расвумчоррском руднике 09.01.2018. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2018. – No 12. – С. 74–83. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-0-74-83.

Котиков Д.А., Шабаров А.Н., Цирель С.В. Установление связи между распределением сейсмособытий в массиве горных пород и его тектоническим строением. // Горный журнал. – 2020. – No 1. – С. 28–32. DOI: 10.17580/gzh.2020.01.05.

10.

Ляшенко В.И., Кислый П.А. Обоснование сейсмобезопасных параметров взрывов при подземной разработке приповерхностных запасов месторождения под городской застройкой. // Известия вузов. Горный журнал. – 2015. – No 2. – С.84–93.

11.

Ляшенко В.И., Савельев Ю.Я., Ткаченко А.А. Научно-технические основы сейсмобезопасной технологии подземной разработке урановых месторождений. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – No 6. – С.107–111.

12.

Музаев И.Д., Харебов К.С., Музаев Н.И. Математическое моделирование сдвиговых сейсмических колебаний массива состоящего из рекультивированного материала отложения горно-рудной промышленности (хвосты). // Геология и геофизика Юга России. – 2022. – Т. 12. No 2. – С. 19–33. DOI: 10.46698/VNC.2022.34.57.002.

13.

Разумов Е.Е., Простов С.М., Мулев С.Н., Рукавишников Г.Д. Алгоритмы обработки сейсмической информации. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – No 2. – С. 17–29. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_2_0_17.

14.

Рукавишников Г.Д., Мулев С.Н., Гаврилов А.Г. Опыт применения и перспективы развития системы сейсмического мониторинга GITS на Таштагольском железорудном месторождении. // Горная промышленность. – 2023. – No 1S. – С. 90–95.

15.

Фоменко В.А., Соколов A.A., Лолаев A.Б., Аймбетова И.О. Некоторые результаты работ по оценке эманаций радона Унальского хвостохранилища. // Устойчивое развитие горных территорий. – 2022. – Т. 14. No 4(54). – С. 576–585. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-4-576-585.

16.

Январёв Г.С., Бобомуротов Б.Б. Объемная цифровая модель тектонической структуры глубоких горизонтов Урупского медно-колчеданного месторождения (Северный Кавказ). // Геология и геофизика Юга России. – 2024. – Т. 14. No 2. – С. 143–153. DOI: 10.46698/VNC.2024.76.38.011.

17.

Chakraborty A., Goswami D. Three-dimensional (3D) slope stability analysis using stability charts. // International Journal of Geotechnical Engineering. – 2021. – Vol. 15. Issue 5. – pp. 642–649.

18.

Eremenko A.A., Mulev S.N., Shtirts V.A. Microseismic monitoring of geodynamic phenomena in rockburst-hazardous mining conditions. // Journal of Mining Science. – 2022. – Vol. 58. No. 1.– pp. 10-19. DOI: 10.1134/s1062739122010021.

19.

Gonen A. Investigation of fault effect on blast induced vibration. // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12. – Issue 5. – Art. No. 2278.

20.

McQuillan A., Bar N. The necessity of 3D analysis for open-pit rock slope stability studies: Theory and practice. // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. – 2023. – Vol. 123. No. 2. – pp. 63–69.

21.

Nordström E., Dineva S., Nordlund E. Back analysis of short-term seismic hazard indicators of larger seismic events in deep underground mines (LKAB, Kiirunavaara Mine, Sweden). // Pure and Applied Geophysics. – 2020. – Vol. 177. – pp. 763–785.

22.

Wang Y.-Q., Gong L.-J., An N.N., Peng X.-B., Wang W. et al. Field investigation of blasting-induced vibration in concrete linings durin g expansion of old highway tunnel. // Advances in Civil Engineering. – 2021. – Vol. 2021. – Art. No. 8820544.

23.

Yin T., Zhou С., Zheng С., Fu J., Guo Z. The vibration characteristics of ground of rock blasting in silt-rock strata. // Shock and Vibration. – 2021. – Vol. – 2021. – Art. No. 3318965.

24.

Zaalishvili V.B., Melkov D.A., Kanukov A.S., Dzeranov B.V., Shepelev V.D. Application of microseismic and calculational techniques in engineering-geological zonation. // International Journal of GEOMATE. – 2016. – Vol. 10. No. 1. – pp. 1670–1674. DOI: 10.21660/2016.19.5312.