Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные факторы лавинообразования. особенности лавиного режима и лавинопроявления в Хибинских горах 14
1.1. Рельеф и растительность 15
1.2. Климат 20
1.3. Снежный покров 30
1.4. Антропогенные факторы 33
1.4.1. Изменение рельефа лавиносборов 33
1.4.2. Кратковременные техногенные нагрузки на снежный покров 37
1.4.3. Предупредительный спуск лавин 47
1.4.4. Туристы и лыжники 48
1.5. Лавинный режим и особенности лавинопроявления 49
Глава 2. Сейсмичность и образование лавин. характеристики сейсмопроявления в Хибинах 61
2.1 .Сейсмичность. Сейсмические волны. Характеристики сейсмичности 63
2.2. Оценка статистической связи между сейсмичностью, вызванной взрывами, и образованием лавин 67
2.3. Экспериментальные измерения параметров сейсмических колебаний. Приборы и методика измерений 73
2.4. Оценка и анализ сейсмических данных 85
Глава 3. Моделирование неустойчивых состояний снега на склоне, вызванных сейсмичностью 93
3.1. Статическая модель для оценки устойчивости снега на склоне 100
3.2. Динамическая модель для оценки устойчивости снега на склоне 108
3.3. Пространственно-временная оценка устойчивости снега на склонах гор с использованием моделей развития снежной толщи 116
3.4. Экспериментальные исследования влияния сейсмичности на параметры снежной толщи 120
3.4.1. Описание установки и методики для лабораторных исследований сейсмического воздействия на прочностные характеристики снега 121
3.4.2. Влияние периодических колебаний на прочностные характеристики снега. Оценка и анализ полученных данных 126
Заключение 133
Библиографический список использованной литературы. 136
Приложения 149
- Кратковременные техногенные нагрузки на снежный покров
- Лавинный режим и особенности лавинопроявления
- Оценка статистической связи между сейсмичностью, вызванной взрывами, и образованием лавин
- Динамическая модель для оценки устойчивости снега на склоне
Введение к работе
Ежегодно в мире от лавин гибнет в среднем около 200 человек, в России -20 человек [68]. Почти все горные районы Евразии, а также значительная часть горных районов Северной и Южной Америк подвержены лавинной опасности. Лавиноопасные районы занимают около 6% поверхности суши - 9253 тыс. км2 [23]. Площадь лавиноопасных территорий в Российской Федерации составляет 3077.8 тыс. км2 (18% от площади всех лавиноопасных районов Земли), 829.4 тыс. км2 относятся к категории потенциально лавиноопасных [23].
О том, что землетрясения могут вызвать сход лавин известно давно. Наиболее ярким примером этого, является снежноледокаменная лавина с горы Уа-скаран в Перу, в мае 1970 г. Снежная лавина, вызванная падением части ледника в результате землетрясения и трансформировавшаяся во время движения в грязекаменныи поток, на своем почти двадцатикилометровом пути разрушила несколько населенных пунктов, в том числе город Ранраирка и часть города Юнгай. Число жертв составило 67 тыс. человек [47]. Массовый сход лавин отмечался также во время сильных землетрясений на Аляске в 1964 г. [47] и на Северном Тянь-Шане в 1978 г. [11]. В работе [35], на основе анализа наблюдений за лавинами и землетрясениями на о. Сахалин за 1951-1993 г.г., указывается на частые совпадения дат землетрясений и массового схода лавин. Если сравнить географическое распространение лавин и землетрясений, можно отметить, что во многих местах земного шара сейсмоактивные районы одновременно являются и лавиноактивными. (рис. 1,2).
В России к таким районам относятся горы Сахалина и Камчатки, Алтай и Саяны, Северный Кавказ, хребты Становой, Верхоянский и Сунтар-Хаята. Широкое распространение в мире и в России, в частности, районов с возможным сейсмическим генезисом лавин делает изучение этих лавин актуальным. Кроме этого, существует еще одна важная причина для исследования роли сейсмичности в образовании лавин. Многие годы для предупредительного спуска лавин
используются взрывы. Взрывы сопровождаются сейсмическим эффектом, роль которого в образовании лавин до сих пор не ясна.
_ - ..~.**ґ Ч^'
С Qlazovskaya, 1987
Рис. 1. Карта лавиноопасных районов мира [5,24].
Рис. 2. Карта сейсмически-опасных районов мира [115].
В этой связи изучение влияния сейсмических колебаний, вызванных взрывами, на устойчивость снега на склоне и образование лавин является чрезвычайно актуальным для рационализации активных воздействий на снежный покров в горах с целью предотвращения лавинной опасности.
В настоящее время надежных данных о лавинах, вызванных сейсмическими событиями немного. Впервые в СССР о сейсмогенных лавинах упоминалось в работах [26,33,42,70], где авторами эти лавины были выделены в отдельный генетический тип. О сейсмогенном образовании лавин, более или менее надежно, можно судить лишь в случае их массового схода, когда моменты времени сейсмического события и регистрации сошедших лавин достаточно близки. Даже если достоверно известно о «сейсмическом происхождении лавины», очень редко для неё имеются данные измерений физико-механических характеристик снега, полученные в зоне зарождения лавины в моменты времени, достаточно близкие к сходу лавины. Данные инструментальных измерений характеристик сейсмичности в зонах зарождения лавин вообще отсутствуют. Именно дефицитом необходимых данных объясняется отсутствие моделей сейсмоген-ного лавинообразования.
В работе [35] предлагается возможный механизм нарушения устойчивости снега, вызванного сейсмичностью, однако, лишь в виде концептуальной модели, которая не получила развития, опять же, вследствие отсутствия данных. В работе [59] приводятся данные о возможном влиянии сейсмичности, вызванной движением железнодорожных составов на параметры лавинного режима, но сделано это недостаточно строго, а вопрос о механизме воздействия не затрагивается вовсе. Там же указывается, что с увеличением сейсмических возмущений прослеживается тенденция к увеличению количества сходящих ежегодно лавин и уменьшению их объемов. Среднегодовой лавинный сток также имеет тенденцию к увеличению. В работе [11] описываются состояние снежного покрова предшествующее землетрясению и результаты его воздействия, механизм же воздействия сейсмических колебаний на образование лавин не рассмотрен.
Планировать натурные эксперименты для оценки влияния сейсмических колебаний, вызванных естественными землетрясениями, на устойчивость снега и образование лавин не реально из-за редкости этих событий. Природные землетрясения интенсивностью более 5 баллов1 редки и плохо предсказуемы. В свою очередь лавины, в отличие от оползней, формируются из очень изменчивого во времени и пространстве снежного покрова. Эти причины создают почти непреодолимые трудности для экспериментальных исследований лавинообра-зования, вызванных природными землетрясениями. Существует, однако, возможность проводить исследования для лавин, вызванных искусственной сейсмичностью, связанной с взрывами.
Хибинские горы на севере европейской части России представляют собой идеальное место для получения экспериментальных данных о лавинах и сейсмичности. Сотни лавин сходят здесь ежегодно в течение 7-8 зимних месяцев. С 1936 г. в Хибинах за лавинами, снежным покровом и погодой ведет регулярные наблюдения Центр лавинной безопасности ОАО «Апатит» (ЦЛБ). Крупномасштабные взрывные работы, проводимые ОАО «Апатит» при добыче полезных ископаемых, обеспечивают высокий уровень сейсмической активности. Каждую неделю в подземных рудниках и карьерах проводится несколько мощных взрывов с количеством взрывчатых веществ (ВВ) от десятков до сотен тонн. Лавинные очаги Хибинского горного массива находятся в непосредственной близости от производства горных работ и регулярно подвержены сейсмическому воздействию. Расстояния от мест производства взрывов до контролируемых ЦЛБ зон зарождения лавин варьируются от сотен метров до нескольких километров.
Целью работы является исследование влияния сейсмического воздействия на образование снежных лавин и разработка количественных методов оценки этого влияния. Для этого предлагается, используя физически обоснованные модели устойчивости снежного пласта на склоне, определить условия, влияющие
) Здесь и далее используется шкала интенсивности землетрясений Меркалли
на его устойчивость и «спусковые механизмы», которые вызывают образование лавин при сейсмических воздействиях.
Задачи исследований. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
обобщить и проанализировать сведения о лавинах, зарегистрированных ЦЛБ во время проведения технологических взрывов на рудниках ОАО «Апатит»;
провести измерения параметров сейсмических колебаний, вызванных взрывами, в том числе в зонах формирования лавин, на подстилающей поверхности (скале) и на поверхности снежного покрова;
разработать математические модели для оценки механической устойчивости снега на склоне с учетом дополнительной сейсмической нагрузки;
разработать методику пространственно-временной оценки устойчивости снега на склоне, с учетом сейсмического воздействия.
Методы исследований. В основе диссертации лежат данные полевых, оценочных и аналитических исследований. Работы проводились в двух областях: экспериментальной и теоретической.
Экспериментальные работы включали: отработку методики и собственно сейсмологические измерения непосредственно в лавиносборах и местах к ним прилегающим; сбор данных о снеге, необходимых для оценки его устойчивости; создание установки и методики для проведения лабораторных исследований влияния сейсмических колебаний на прочностные характеристики снега, а также сами измерения с помощью этой установки.
Теоретическая часть заключалась в построении математических моделей, учитывающих сейсмический эффект при оценке устойчивости снега на склоне. В этой области использовались методы обработки данных на ЭВМ, теории вероятностей и математической статистики, проводились численные эксперименты.
При работе над диссертацией были использованы следующие материалы: кадастр лавин ЦЛБ ОАО «Апатит», метеорологические и снеголавинные дан-
ные горно-лавинных станций, данные шурфований снежного покрова, данные о параметрах технологических взрывов, записи параметров сейсмических колебаний, топографические карты, справочные издания, научные отчеты ЦЛБ.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1 .Получены уникальные данные о характеристиках сейсмических колебаний в зонах лавинообразования, вызванных взрывами.
2.Впервые, на основании собранных данных, оценена статистическая связь между сейсмическими событиями и образованием лавин.
3.Разработаны статическая и динамическая модели, в детерминированном и вероятностном вариантах, учитывающие влияния сейсмических колебаний на механическую устойчивость снега на склоне (без учета изменения прочностных характеристик нижележащего слоя) и их программные реализации.
4.На основе современных методов пространственно-временного моделирования развития снежного покрова разработана методика пространственно-временной оценки устойчивости снега, с учетом сейсмического воздействия.
5.Создана установка и разработана методика проведения лабораторных экспериментов по исследованию влияния сейсмических колебаний на изменение физико-механических свойств снега в лабораторных условиях для получения количественных показателей характеристик, влияющих на сейсмогенное лавинообразование.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Результаты оценки статистической связи между сейсмическими событиями и возникновением лавин.
2.Методы расчета механической устойчивости естественных масс снега на склонах гор с учетом сейсмического воздействия.
3.Метод пространственно-временной оценки механической устойчивости снега на склонах гор с использованием модели развития снежной толщи.
4.Методика для проведения экспериментальных работ в лабораторных условиях по исследованию влияния сейсмических колебаний на изменение прочностных характеристик снега.
Личный вклад автора заключается в:
Создание банка систематизированных данных по подземным и открытым взрывам и по лавинам связанным с ними более чем за 20 лет;
Выполнение количественной оценки статистической связи между образованием лавин и сейсмическими событиями;
Организации и проведении специализированных сейсмических наблюдений;
Разработке статической и динамической моделей влияния сейсмичности на механическую устойчивость снега на склоне;
Разработке, на основе модели развития снежной толщи, методики пространственно-временной оценки устойчивости снега с учетом сейсмического воздействия;
Создание установки (вибростенда), моделирующей сейсмические колебания, для исследования их влияния на прочностные характеристики снега в лабораторных условиях и разработке методики этих исследований;
Организации и проведении экспериментальных исследований влияния сейсмических колебаний на изменение прочностных характеристик снега на вибростенде.
Достоверность научных положений, выводов подтверждается: анализом систематизированных данных более чем за 20 лет о технологических взрывах на 4 рудниках в Хибинском горном массиве и лавинах, сошедших на промпло-щадке ОАО «Апатит» и прилегающей к ней территории; оценкой методами математической статистики; положительными результатами внедрения исследований в программный комплекс «Рабочее место прогнозиста лавин» в Центре лавинной безопасности ОАО «Апатит».
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Создан банк систематизированных данных более чем за 20 лет о технологических взрывах и лавинах, являющийся базой для совершенствования созданных и разработки новых методов оценки устойчивости снега и прогноза лавин, связанных с сейсмичностью.
Создан экспериментальный полигон, оборудованный стационарной и переносными сейсмическими станциями для полномасштабных экспериментов по оценке влияния сейсмичности на устойчивость снега и образование лавин.
Разработаны, в детерминированном и вероятностном вариантах, статический и динамический методы учета влияния сейсмических колебаний при оценке лавинообразования, которые могут быть успешно применены как в лавиноопасных регионах с естественной сейсмичностью, так и в регионах с преобладанием техногенных землетрясений. Показано, что существующие модели пространственно-временного развития снежного покрова могут быть успешно интегрированы в указанные методы для пространственно-временной оценки механической устойчивости снега на склонах. Это особенно актуально для районов со слабо развитой сетью мониторинга физико-механических характеристик снега.
Для дальнейшего изучения влияния сейсмических колебаний на физико-механические свойства снега и образование лавин изготовлен вибростенд, моделирующий сейсмические нагрузки на снег.
Реализация работы. Методики оценки устойчивости снега на склоне использованы при разработке программного комплекса «Рабочее место прогнозиста лавин» для оценки лавинного риска, связанного с лавинами, вызванными сейсмическими событиями.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Российских и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях: ISSW-2000 в Big Sky (США, 2000 г.); II международной конференции «Лавины и смежные вопросы» в Кировске (Россия, 2001 г.), ISSW-2002 в Penticton (Канада, 2002 г.), "INTERPRAEVENT 2002" в Matsumoto (Япония, 2002 г.), гляциологическом симпозиуме "Будущее гляциосферы в условиях меняющегося климата" в Пушино (Россия, 2002 г.), VIII международной конференции "Глубинное строение и геодинамика фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон" в Петрозаводске (Россия, 2002 г.), на EGS-AGU-EUG Joint Assembley в Nice (Франция, 2003 г.), II International Workshop on snow avalanches в Чили
(2003 г.), International Symposium on snow and avalanches в Давосе (Швейцария, 2003 г.), ISSMA-2004 в Манали (Индия, 2004 г.), международной конференции «Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика» в Кировске (Россия, 2004 г.), XIII Гляциологическом симпозиуме «Сокращение гляциосферы: факты и анализ» в Санкт-Петербурге (Россия, 2004 г.).
Результаты, полученные в диссертации, нашли отражение в отчетах по грантам Avalanche Hazard in Kola (Nordic Council of Ministers, 1999-2000, 2001-2002 г.г.), РФФИ «Теоретическое и экспериментальное моделирование влияния сейсмичности на механическую устойчивость снега на склоне» № 02-05-64569а.
Структура работы соответствует основным задачам исследования. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, и приложений.
Первая глава посвящена описанию факторов лавинообразования, особенностей лавинообразования и лавинопроявления, сейсмической активности Хибинского горного массива.
Во второй главе даны основные понятия и характеристики сейсмических волн и сигналов, влияющих на устойчивость снега на склонах гор. Представлена статистическая оценка влияния сейсмических событий на образование снежных лавин. Дано описание экспериментального полигона и сейсмостанций, используемых для измерений сейсмических колебаний. Приведена методика проведения сейсмических наблюдений на экспериментальном полигоне. Анализируются и оцениваются данные сейсмических измерений.
Третья глава посвящена моделированию неустойчивых состояний снега на склоне, вызванных сейсмичностью. Представлены, разработанные автором, статическая и динамическая модели устойчивости снега на склоне, в детерминированном и вероятностном вариантах. Приведена методика пространственно-временной оценки фактора устойчивости снега на склонах гор с помощью модели развития снежной толщи «Snowpack». Дано описание установки, создан-
ной автором, имитирующей сейсмические колебания и их воздействие на снег в лабораторных условиях. Приведена методика экспериментальных исследований влияния сейсмических колебаний на прочностные характеристики снега в лабораторных условиях. Представлены первые результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях влияния сейсмичности на прочностные свойства снега.
В заключении приведены основные результаты работы.
Список литературы состоит из 139 наименований.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, 2 работы находятся в печати.
Благодарности. Автор выражает свою благодарность работникам горнолавинной станции «Центральная» ЦЛБ за помощь в организации и проведении экспериментальных работ. Автор особо признателен за помощь на всех этапах выполнения настоящей работы научному руководителю работы П.А. Черноусу, участвовавшим в проведении работы Ю.В. Федоренко, Е.Б. Бекетовой, а также оказавших неоценимую помощь в решении материальных и организационных вопросов генеральному директору ОАО «Апатит» А.В. Григорьеву, Е.С. Трош-киной, Т.Г. Глазовской, Ю.Г. Селиверстову. Отдельные слова благодарности хочу выразить моему первому научному руководителю, безвременно ушедшему из жизни, С.ММягкову, который оказал большую поддержку на начальном этапе работы над диссертацией.
Кратковременные техногенные нагрузки на снежный покров
Одним из источников кратковременных техногенных нагрузок на снежный покров являются технологические взрывы на рудниках и взрывы, проводимые с целью профилактического спуска лавин.
Эффекты действия взрыва на снег. Все три эффекта наблюдаются лишь во время профилактического спуска лавин путем подрыва ВВ в снежном покрове в зоне зарождения лавины. Технологическим взрывам сопутствуют либо лишь сейсмический (взрывы на подземных рудниках) либо сейсмический и акустический эффекты (взрывы в карьерах). Надо отметить, что роль ни одного из этих эффектов в возникновении лавин ранее не исследовалась. Ряд исследований, был проведен для определения изменений структуры и плотности снега в районах разрыва мин [3,52]. Исследования показали, что видимое нарушение структуры снега в местах взрывов происходит до глубины примерно 4 м. Плотность снега около центра взрыва достигает более 700 кг/м , тогда как в ненарушенной снежной толще она составляет 350-400 кг/м . Выявлено, что влияние взрыва на плотность снежного покрова распространяется не только на область нарушенной структуры, но и за её пределы. Изменение плотности прослеживается на расстояние, равное примерно 9 радиусам воронки. При этом плотность снега от центра взрыва к периферии распределяется по волновому закону. Средняя плотность снежного покрова на глубине в районе взрыва мин в последствии возрастает с большей скоростью, чем в естественном ненарушенном снежном покрове. Структура снега в местах взрывов изменяется во времени в сторону цементации беспорядочно расположенными ледяными корками (ледяным каркасом), что позволило авторам сделать вывод о закрепляющим эффекте минометных обстрелов зон зарождения лавин. Была предпринята также попытка оценить воздействие взрывов на устойчивость снега без рассмотрения механизмов воздействия, но как показала практика, полученные результаты не подтвердились. Например, авторы утверждают [3,52], что для сухого снега при отрицательных температурах воздуха импульс взрыва мины калибра 120 мм по своему сдвигающему эффекту эквивалентен мгновенному приращению толщины снежного покрова на 1.30 м. Очевидно, что эквивалентное приращение толщины снежного покрова должно также зависеть от плотности снега, места взрыва и т.д. Сейсмический эффект.
Все сейсмические события в Хибинах3 можно разделить на две группы: 1 - события, источником которых является непосредственно взрыв и 2 - естественные землетрясения, спусковым механизмом которых была человеческая деятельность (индуцированные землетрясения).
Ежегодно в Хибинах в районах добычи руды производится более 500 массовых взрывов. В течение одного взрывного дня производят от 1 до 5 взрывов на одном руднике. Количество ВВ, подрываемого за один взрыв, колеблется от 10 т до 350 т. Средняя масса ВВ за один взрыв для подземных взрывов составляет 51.5 т, для взрывов в карьерах - 132.7 т. Максимальная масса ВВ на один взрыв при подземных взрывах достигает 350 т. Максимальная масса ВВ при взрывах в карьерах несколько меньше, однако, нередко превышает 200 т.
При взрывании блока используется схема взрыва с замедлением, т.е. блок взрывается не сразу полностью, а частями приблизительно по 5-8 скважин (от 2-3 до 9 т ВВ) на одну ступень замедления. Глубина скважин для зарядки ВВ: для взрывов в карьере - 17-18 м; для подземных взрывов - 20 м. Ступень замедления зависит от количества рядов и длины блока. Блок при открытом взрыве обычно имеет протяженность около 100 м и состоит из 4-5 рядов скважин. Расстояние (в метрах) между скважинами в блоках - 6x6, 5.5x6.5 (руда), 6.5x7, 7x8, 7x6 (вскрыша). Обычное число ступеней замедления 3-5. Количество ступеней замедления зависит от длины блока и количества скважин в ряду. Величина ступени замедления (в миллисекундах) составляет: при открытых взрывах - 20, 30, 50, 60, 80 (наиболее часто); при подземных взрывах - 40, 50.
Чем меньше ступень замедления, тем сильнее сейсмические колебания. Средняя масса ВВ на одну ступень замедления составляет 3800 кг, максимальное количество ВВ на одну ступень замедления достигает 12 т, минимальное - 200-300 кг. Время производства взрыва между блоками составляет от 1 до 5 сек, между массовыми взрывами в течение взрывного дня - от 5 до 10 мин. Продолжительность сейсмических колебаний от одного массового взрыва в Хибинах может меняться от нескольких секунд до десятков секунд, и даже несколько более, в зависимости от замедления, расположения зарядов, расстояния до места взрыва и т.д.
Как известно, ведение горных работ в высоко напряженных массивах приводит к нарушению естественного устойчивого состояния и способствует возникновению предельно напряженных участков. При этом большие по объему работы оказывают и более сильное влияние. Опыт строительства и эксплуатации крупных водохранилищ, откачки воды, нефти, газа из природных резервуаров, проведение горных работ с изъятием полезных ископаемых и(или) перемещением горных масс в больших объемах свидетельствует о том, что всякая дополнительная внешняя нагрузка на ограниченный размерами участок земной поверхности вызывает деформацию приповерхностной части земной коры в месте приложения нагрузки. Если величина общей и удельной нагрузки превышает определенный для данного места предел, то локальные тектонические процессы активизируются, вследствие чего появляется возбужденная сейсмичность. Наилучшим образом изучена возбужденная сейсмичность, которая вызывается заполнением водохранилищ. Много хуже изучены такие явления, связанные с горнодобычными работами [6].
Разработка месторождений в Хибинском горном массиве с извлечением огромных масс руды, переработкой и последующим перемещением отходов приводит к тому, что активизируются локальные тектонические процессы, проявляющиеся в виде горных ударов и техногенных землетрясений. За период эксплуатации апатитовых месторождений было изъято рудниках ОАО «Апатит» более 109 т горной массы, что соответствует уменьшению гравитационной компоненты давления Земли в среднем на 2.5-3.0 мПа, в некоторых частях массива - 9-12 мПа [73]. Анализ местоположения эпицентров землетрясений показывает [6], что большинство сейсмических событий происходит в зонах активных разломов и группируется в непосредственной близости от района ведения горных работ, а именно - от районов активного производства технологических взрывов.
С развитием горных работ площадь, охваченная эпицентрами землетрясений, увеличивается. Сейсмические события, вызванные землетрясениями, наблюдаются на все большем удалении от рудников, что свидетельствует о том, что в процесс активизации вовлекаются все большее количество геодинамических блоков и сейсмически активная зона увеличивается по площади. Возрастает опасность техногенной сейсмичности для районов ведения горных работ, а также для территорий на расстоянии до 50-60 км от эпицентра [6]. Очаги всех землетрясений, произошедших в Хибинах, располагаются на глубине, не превышающей 500-1000 м от дневной поверхности, то есть это мелкофокусные землетрясения, что является одним из характерных признаков техногенной (наведенной) сейсмичности. Такие явления обусловливаются, с одной стороны, особенностями геологического строения района, а с другой - характером инженерного воздействия и его интенсивностью.
Сейсмологические данные свидетельствуют о современной тектонической активности массива. Землетрясения до 5-6 баллов по шкале Рихтера связываются с движениями земной коры. В частности в Хибинах отмечаются землетрясения эпицентры которых определены непосредственно в районе действующих рудников. Глубина очагов землетрясений, в основном, лежит в диапазоне от 0 до 5 км, часть из них отмечена на глубине до 15 км. Общая тенденция к росту сейсмичности в Хибинах наметилась со второй половины 80-х годов и продолжается по настоящее время [6]. Причиной возникновения индуцированного землетрясения может выступать также обводнение горного массива. Так, например, ежегодно в течение последних двух лет осенью (10.10.2003 и 24.10.2004 г.г.) наблюдались землетря-сения с магнитудой 1.2 и 2.4, энергией 10 и 2.15x10 Дж соответственно. Эпицентры находились в районе карьера рудника «Центральный». Максимальный расчетный линейный размер очага последнего землетрясения (24.10.2004 г.), по данным Центра геофизического мониторинга ОАО «Апатит», составил 300 м. Землетрясениям сопутствовало выпадение продолжительных обильных жидких осадков в течение нескольких дней.
Лавинный режим и особенности лавинопроявления
Лавинный режим это закономерное изменение состояния лавинной активности в течение определенного отрезка времени. Лавинный режим проявляется в виде сезонных и многолетних колебаний следующих показателей режима: генетических типов лавин, повторяемости лавиноопасных ситуаций, продолжительности лавиноопасного периода [74].
В Хибинах наиболее распространенными и опасными являются пластовые лавины или так называемые лавины из снежной доски, модели возникновения которых представлены в гл. 3. Продолжительная метелевая деятельность с выпадением осадков способствует неоднородному распределению снега в зонах зарождения лавин, аккумулируя значительные массы снега на подветренных склонах за счет сноса снега с платообразных вершин. Превышение критической массы снега на склоне приводит к потере устойчивости снежного пласта, и как следствие, образованию лавины из снежной доски. Наблюдения в Хибинах [4] показывают, что средняя толщина линии отрыва таких лавин находится в пределах 0.2-0.7 м, а наибольшая из всех наблюдавшихся равнялась 4 м. Плотность снега, из которого состоят снежные доски, может меняться от 150 кг/м3 до 450 кг/м3. Измерения в линии отрыва показали, что прочность снега на сдвиг по контактной поверхности, по которой сошли лавины, варьируется от 100 н/м2 до 5000 н/м2. Площадь срывающегося пласта снега таких лавин составляет обычно 102-105м2[134],
В генетическую классификацию лавин вошли лавины, самопроизвольное образование которых наблюдается в Хибинах в течение зимнего периода. К сожалению, сюда не вошли лавины, которые образуются под действием некоторых естественных и антропогенных факторов (землетрясения, подрыв взрывчатых веществ (ВВ), воздействие лыжников). В районах с повышенной сейсмической активностью, можно ожидать проявления отдельного типа образования лавин - сейсмогенных лавин [27,34,42,70].
Для исследования лавинного режима Хибин были взяты данные о сходе лавин по 50 лавинным очагам, которые находились под постоянным контролем ЦЛБ и которые в течение всего периода наблюдений не претерпели изменений своих морфометрических параметров.
По данным ЦЛБ около 80% естественных лавин сходит во время снегопадов, обычно сопровождаемых метелями, а около 20% приходится на период оттепелей и весеннего снеготаяния. Число дней за зимний период с лавинами разного типа, по данным ЦЛБ, составляет в среднем 44 при колебаниях от года к году в пределах от 22 до 71. При этом среднее число дней с лавинами, вызванными снегопадами и метелями, приблизительно равно 35. Среднее количество лавин за зимний период на территории, контролируемой Центром лавинной безопасности ОАО «Апатит» составляет 107.
Особое влияние на лавинный режим в районе города Кировска оказывают активные воздействия на снежный покров, проводимые с целью предупредительного спуска лавин. Воздействие на снежный покров в зонах зарождения лавин проводятся в основном путем минометного обстрела. Так, например, с 1970 по 2000 г.г., по данным ЦЛБ, среднее количество лавин за зимний период, сошедших при минометных обстрелах равнялось 23 (10.56% от общего количества), максимальное количество таких лавин - 66 лавин (46% от общего количество лавин зарегистрированных в зимний период 1977-1978 г.г.).
В ноябре лавин было зарегистрировано 262 (9.3%), их суммарный объем составил 350 тыс.м3 (3.8%). Средний же объем лавин остался примерно таким же, как и в октябре - 1.3 тыс.м3. Максимальный объем зарегистрированной в ноябре лавины составил 47 тыс.м3.
Образование единых снежных полей в лавинных очагах под действием снегопадов, а также метелевого перераспределения снега на склонах гор приводит к заметному повышению лавинной активности в декабре месяце. Количество лавин возрастает до 310 (10.9%), их суммарный объем составил 2003 тыс.м3 (21.7%), средний объем лавин резко увеличивается до 6.5 тыс.м , максимальный объем зарегистрированной в декабре лавины - 285 тыс.м3.
Для января и февраля в Хибинах характерны, прежде всего, наиболее низкие температуры воздуха, большое количество метелей и снегопадов. Все это отражается на количестве и объемах лавин, сошедших в этих месяцах. Так, в январе зарегистрирован сход 385 (13.6%), в феврале - 398 лавин (14.1%), сум-марный объем лавин составил соответственно - 1779 тыс.м (19.2%) и 1902 тыс.м3 (20.6%). Средние же объемы лавин в январе и феврале заметно ниже, чем в декабре - 4.6 тыс.м3 и 4.8 тыс.м3 соответственно. К январю снежная толща на склонах гор становится более неоднородной и многослойной, формирование лавин в основном происходит в верхнем слое свежего снега. Возрастание в январе, до максимальных величин, продолжительности выпадения осадков и метелевых явлений, также является причиной образования лавин с большими объемами. Максимальный зарегистрированный объем лавины в январе составил 200 тыс.м3, в феврале - 150 тыс.м3. В эти месяцы в основном сходят сухие лавины.
Своих максимальных размеров толщина снежного покрова в Хибинах обычно достигает в марте-апреле. Продолжительность солнечного сияния в эти месяцы заметно возрастает, соответственно возрастает и количество лавин, причиной образования которых является солнечная радиация. Как правило эти лавины небольших объемов, что сказывается на величине среднего объема лавин, в марте он составил 3.0 тыс.м3, в апреле - 1.8 тыс.м3. Общее количество лавин зарегистрированных в марте - 497 (17.6%), в апреле - 633 (22.4%), суммарный объем - 1493 тыс.м3 (16.1%) в марте и 1119 тыс.м3 (12.1%) - в апреле. Максимальный объем лавины зарегистрированной в марте составляет 300 тыс.м3, в апреле - 77 тыс.м3.
Оценка статистической связи между сейсмичностью, вызванной взрывами, и образованием лавин
Часть Хибин, где ОАО «Апатит» производит технологические взрывы, представляет собой прямоугольник размером 16x8 км . Большинство мест проведения взрывов сконцентрировано в трех существенно меньших районах внутри этого прямоугольника, которые привязаны к расположению четырех рудников (рис. 30).
Схема расположения лавиносборов и мест проведения технологических взрывов (без района рудника «Восточный») показана на рис. 31. Практически все склоны в указанном районе являются лавиноопасными. Порой взрывы проводятся очень близко к лавиносборам (200-300 м). Район рудника «Восточный» при оценке влияния сейсмического воздействия на образование лавин не рассматривался ввиду неполных и нерегулярных сведений о взрывах, проводившихся в карьерах рудника.
За период 1959-1995 приблизительно 225 лавин, по данным кадастра лавин Центра лавинной безопасности, были вызваны технологическими взрывами на открытых и подземных рудниках ОАО «Апатит» [130]. Решение о том, что технологический взрыв был главной составляющей спускового механизма формирования лавины, является субъективным. На практике регистрация сошедших лавин производится во время осмотров, которые, как правило, проводятся не чаще одного раза в сутки. При анализе эта причина представляется наиболее вероятной, если дни с взрывами и сходом лавин совпадают, а ошибка регистрации сошедших лавин не превышала одних суток. При исследовании статистической связи между взрывами и лавинами рассматривались все зареги стрированные лавины с точностью определения времени схода до одних суток независимо от их типа, указанного в кадастре лавин ЦЛБ.
Для оценки связи между взрывами и сходом лавин для двух районов с открытыми и подземными разработками были созданы выборки с днями с производством технологических взрывов и днями со сходом лавин за период 1989-2000 г.г. [130].
Так как проведение технологических взрывов сконцентрировано в местах проведения горных работ, данные о относительно зарегистрированных лавинах были проанализированы отдельно для двух районов: 1) район Кировского рудника; 2) район «Центрального» и Расвумчоррского рудников (рис. 31). Все дни для каждого из районов были разделены на две группы: дни со сходом лавин, когда сошла хотя бы одна лавина; дни без схода лавин.
Число дней с лавинами и взрывами, произведенными в районе Кировского рудника в зимний период с 1989 по 2000 г.г. На первом этапе анализа были рассмотрена значимость неоднородности распределений лавин. В качестве нулевой гипотезы было выбрано равномерное по дням недели распределение схода лавин. Проверка с помощью критерия % показала, что нулевая гипотеза должна быть отвергнута с доверительной вероятностью 99% для района «Центрального» и Расвумчоррского рудников и с доверительной вероятностью 90% для района Кировского рудника. В качестве возможной причины такой неравномерности может быть лишь человеческая деятельность и в первую очередь, технологические взрывы на рудниках. На втором этапе анализа с помощью таблицы сопряженности (табл. 6) для дней с взрывами (без взрывов) и дней с лавинами (без лавин) рассчитывались коэффициенты Пирсона и Кендалла [78], которые показали значимую статистическую связь между днями со сходом лавин и днями когда производились взрывы для обоих рассматриваемых районов. Р- значения, полученные для статистик Пирсона и Кендалла указывают на существенную связь между строками и столбцами таблицы при 95%-ом доверительном интервале. Проверка с помощью критерия %2 показала, что нулевая гипотеза о независимости дней с взрывами и дней с лавинами должна быть отклонена с доверительной вероятностью 99%.
Наличие такой связи для района Кировского рудника прямо указывает на влияние сейсмического эффекта взрыва на образование лавин, т.к. на этом руднике в основном5 проводятся подземные взрывы, при которых акустическое воздействие на снег на склонах отсутствует.
Открытые взрывы на Кировском руднике редки и, как правило, небольшой массы (до Ют) Хотя корреляционная зависимость между днями с производством технологических взрывов и днями со сходом лавин является статистически значимой, она слишком слабая и, поэтому, не может быть непосредственно использована для прогнозирования лавин. Для этого должны привлекаться физически обоснованные модели, учитывающие воздействие колебаний земной поверхности на устойчивость снега на склоне.
Многократный опыт эффективного профилактического спуска лавин со склона над карьером рудника «Центральный» при помощи техногенных сейсмических воздействий, вызванных подрывом ВВ у подножья лавиноопасного склона, также подтверждают гипотезу о влиянии сейсмических колебаний на образование лавин. В качестве примера на рис. 35 показан результат такого воздействия на образование лавин.
Профилактический спуск лавин со склона над карьером рудника «Центральный» 17.01.2003 г. Стрелками показаны места схода лавин: величина стрелки - пропорционально объему лавины, конец стрелки - дальность выброса лавины. Закладка ВВ для создания сейсмического воздействия производилась на коренное горное тело (скалу) у подножья склона. В результате сейсмического воздействия сошли лавины от 100 до 5000 м . Лавины образовались на подветренном склоне из верхнего слоя снега, который сформировался во время метели, сопровождавшейся выпадением ливневых осадков, в предшествующие сутки (см. приложение 4). Образование лавин из верхнего слоя снега указывает также на распространение сейсмических колебаний в снежном покрове.
Динамическая модель для оценки устойчивости снега на склоне
Динамическая модель устойчивости снега на склоне основана на динамической модели Ньюмарка [121,132], которая использовалась для оценки возможности образования оползней при землетрясениях. Так как сейсмические воздействия очень кратковременны, нарушение условия статического равновесия является необходимым, но не достаточным условием возникновения реальной неустойчивости снега на склоне и образования лавины. Ускорения ах и ап действуют в течение очень непродолжительного времени и деформация снежной доски, вызванная ими, недостаточна для ее разрушения и образования лавины. Предполагается, что обвал не сформируется, пока не появится некоторая внутренняя деформация толщи, превышающая критическую величину. Деформации вдоль склона возникают, когда ускорение, вызванное внешней нагрузкой (сейсмическим воздействием), превышает величину критического ускорения, рассчитанную исходя из условия статического равновесия. Промежуток времени, в течение которого эта деформация накопится и достигнет критической величины, зависит от величины и продолжительности внешней нагрузки (сейсмического воздействия).
Такие деформации рассчитываются с использованием подхода, разработанного Ньюмарком [132] и затем, примененный Джибсоном [121] для предсказания деформаций при оползнях, вызванных землетрясениями. Соскальзывающую по склону массу Ньюмарк рассматривает как твердый блок.
Блок имеет известное критическое ускорение ас , которое является пороговым и преодоление которого приводит к началу соскальзывания блока.
Ускорение ниже этой величины не приводят к деформации блока. Интегрируя по времени ускорения блока относительно подложки (рис. 54 (А)), Ньюмарк получил зависимость скорости смещения от времени (рис. 54 (В)).
Чем меньше ас, тем больше частота и продолжительность времени, когда происходит смещение массы снега вдоль склона, следовательно, увеличивается общая величина смещения. Величина смещения вниз по склону также зависит от продолжительности сейсмического воздействия на подстилающую поверхность, его интенсивности и амплитуды. Так как продолжительность и интенсивность сейсмического воздействия во время взрывов увеличивается с увеличением массы ВВ (с увеличением магнитуды для землетрясений), деформация имеет также тенденцию к увеличению.
Для динамической модели использовалась временная развертка ускорения, полученная на стационарной сейсмостанции «Nansen» и «усиленная», величиной ускорения полученного по эмпирической формуле (8) [39], в соответствии с соотношениями расстояний от места взрыва между стационарной станцией и точкой, в которой оценивалось интегральное смещение. Аналогично использовались «усиленные» или «ослабленные» ускорения, зарегистрированные при измерениях в лавиносборах.
После вычисления смещения Ньюмарка для каждой точки склона, подверженного сейсмическому воздействию (рис. 57), при заданных параметрах снега, его величина сравнивается с пороговой величиной, при превышении которой теряется устойчивость снега и таким образом определяются зоны неустойчивости.
Реализация вероятностного варианта динамической модели пространственной оценки устойчивости снега на склоне аналогична варианту для статической модели с разницей в том, что в качестве вероятностной оценки распределения фактора устойчивости используется отношение величины суммарного смещения D к величине порогового смещения dthr. Величины порогового смещения Ньюмарка dthr для различных типов снега могут быть получены расчетным путем на основании данных о физико-механических характеристиках снега в линии отрыва лавин и данных о сейсмических ускорениях, или с помощью лабораторных экспериментов.
Численные эксперименты с динамической моделью показали, что кроме величины сейсмического ускорения большое влияние на устойчивость снега оказывает продолжительность его воздействия и форма временной развертки. Моделирование сейсмического воздействия для реальных взрывов показало, что в диапазоне энергии колебаний подстилающей поверхности в лавиносбо-рах, соответствующей этим взрывам, смещение Ньюмарка хорошо определяется на основе одного параметра - энергии колебаний. Это достаточно просто объясняется, если ускорение представляет собой гауссовский случайный процесс, что и показали проведенные измерения (см. гл. 2). Учитывая сложности численного моделирования пространственно-временных полей ускорений во время взрывов, сейсмическое воздействие может рассматриваться, как случайный процесс характеристики которого (средние значения, дисперсия, автокорреляционная функция) определяются на основе проведенных измерений.
Пространственное распределение смещения Ньюмарка может, как и фактор устойчивости или его вероятности, быть представлено графически (рис. 58). Можно отметить, что частотная характеристика сейсмического воздействия и его продолжительность очень существенны. Высокочастотные воздействия привели лишь к смещениям около 0.02 м (рис. 58 (в,г)), тогда как низкочастотные, несколько большей продолжительности, дали смещение около 1 м (рис. 58 (б)), а максимальные их значения превышают 5 м.