Апатитские ученые узнали, почему разрушаются Хибины
В конце сентября в Сети появились фотографии, сделанные на склоне горы Юкспорр в Хибинах. В подземную пустоту провалилась часть склона. Образовавшийся провал занимает около ста метров в диаметре и тридцати метров в глубину.
Кольский полуостров – это не Камчатка, а Хибины – не Кавказ, землетрясениями здешние горы не отмечены. Что же произошло? Ученые из Горного института Кольского научного центра знают ответ. В шестом номере горного информационно-аналитического бюллетеня издательства «Горная книга» вышла статья «Сейсмичность как отражение изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород в процессе ведения горных работ». В этой статье изложены результаты восьми лет изучения сейсмической активности Кукисвумчоррского месторождения, разрабатываемого с 1929 года вместе с Юкспоррским, где и произошел провал.
Активные горные работы здесь привели к образованию очень сложных горно-геологических условий. Массив породы потерял устойчивость, что привело к локальным техногенным землетрясениям. Сильные сейсмические события были, например, зарегистрированы в январе 2016 и в апреле 2020 года.
При разработке подобных месторождений необходимо прогнозировать и предотвращать опасные явления. Для контроля и оценки состояния горных пород на рудниках Хибинского массива, как и на других многих месторождениях в России и в мире, применяют сейсмический мониторинг. На Кировском руднике этот мониторинг ведут непрерывно с 1987 года с помощью автоматизированной системы контроля состояния массива.
При поддержке АО «Апатит», ведущего разработку Кукисвумчоррского месторождения, ученые проанализировали сейсмические данные, сопоставили их с расчетными характеристиками действующего поля напряжений и установили возможные причины активизации сейсмичности. По их мнению, она стала отражением процесса перераспределения напряжений, происходящего под влиянием горных работ в целом, а также проводимых практически ежедневно взрывов.
Технологические взрывы могут привести к разгрузке массива горных пород и затуханию сейсмической активности, а могут, и наоборот, вызвать ее рост. Нужно понимать, что при высоком уровне сейсмической активности на определенном участке возможны и сохранение устойчивого состояния, и усиление процессов разрушения вплоть до техногенных землетрясений регионального масштаба.
В отработке Кукисвумчоррского месторождения одновременно находятся несколько горизонтов. Максимальная глубина горных работ достигает 750 метров. На глубине ведения горных работ, пересекая рудное тело, наблюдаются тектонические напряжения, фоновый уровень которых в два и с лишним раза выше, чем уровень напряжений от действия собственного веса пород.
Большое влияние на сейсмическую обстановку оказывают сочетание крепких вмещающих пород и хрупких руд, добываемых на руднике, и несколько разломных структур и окисленных зон. Кроме того, вблизи отдельных участков фронта работ сконцентрированы напряжения высокого уровня. Тектонические нарушения разделяют рудное тело и вмещающие породы на несколько отдельных блоков с определенными параметрами напряженно-деформированного состояния. Два участка выделяются наиболее высоким уровнем напряжения в связи с сочетанием особенностей рельефа и неотработанных запасов руды в верхних горизонтах.
Данные сейсмических исследований подтверждаются результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния на основе разработанных в Горном институте КНЦ РАН программ и цифровых моделей. С 2013 года на одном из проблемных участков наблюдают рост сейсмической активности. В начале 2016 года эта сейсмоактивность привела к интенсивному образованию так называемых заколов – трещин в массиве породы. В последующие годы ситуация только усугубилась.
После затишья в конце 2019 года сейсмическая активность существенно возросла. Поэтому служба прогноза и предотвращения горных ударов Кировского рудника расширила район сейсмического мониторинга и повысила его точность, что позволило предотвратить несколько таких толчков. Однако, несмотря на профилактику, в апреле 2020 года массив потерял устойчивость. В результате удара частично разрушилось бетонное укрепление, и обвалились участки породы с трещинами.
Анализ данных показал, что все сильные сейсмические события произошли в основном через несколько часов после взрывных смен, кроме последнего, апрельского. Этот случай зафиксирован через несколько минут после двух проходческих взрывов на участке и вызвал серию афтершоков в течение двух суток. Состояние массива, вмещающего эти выработки, характеризуется действием повышенных значений сжимающих напряжений и осложняется наличием системы трещин. По-видимому, резкое изменение уровня напряжений при проведении взрывных работ нашло выход в наиболее слабом месте, которое пришлось на соседнюю выработку, и реализовалось в виде мгновенного сдвига по одной из трещин.
Составленная учеными карта-проекция сейсмических событий показала, что и количество сейсмических событий, и их энергия в начале 2020 года увеличились по сравнению с предыдущим годом. Это могло быть спровоцировано совместным влиянием тектонических, геомеханических и технологических факторов. Исходя из опыта и вычислений, ученые выделили участки наиболее вероятных горных ударов, определили возможные причины дальнейшего увеличения сейсмической активности, и порекомендовали учитывать результаты цифрового моделирования горного массива при планировании и проведении работ.
Попавший на фотографии провал породы на соседнем участке Кировского рудника, вероятнее всего, – часть производственного процесса, и его вряд ли можно было избежать. В масштабах рудника оно имеет незначительные размеры и, благодаря своевременным прогнозам, негативных последствий не имело.
