Cейсмический эффект промышленных взрывов Костомукшского ГОК

Костомукшский рудный район расположен на границе восточной Финляндии и западной Карелии, уникален по своему строению, рудоносности, геологическому развитию и сложен архейскими и протерозойскими комплексами пород, перекрытых маломощным чехлом четвертичных отложений. В состав этого района включены три месторождения Карельского кратона: Костомукшское, Корпангское и Межозерское. Костомукшский рудный район является крупнейшим промышленным центром Карелии, получившим свое название благодаря открытию залежей магнетитовых кварцитов (Горьковец, 2015).

Активная разработка большого количества месторождений в Карелии способствует повышению техногенной сейсмичности отдельных территорий и становится значительной проблемой для жилых и промышленных зданий и сооружений, а также для населения. К таким районам относится и город Костомукша. В Костомукшском районе разработаны самые крупные карьеры в Республике Карелия. Массовые взрывы на данной территории происходят на протяжении нескольких десятков лет. Масса взрывчатых веществ достигает 100–1 200 т при короткозамедленном взрывании. Сейсмические эффекты, возбуждаемые промышленными взрывами, по энергетическим характеристикам соответствуют сейсмическим событиям энергетических классов 5–9.

В Институте геологии КарНЦ РАН проводятся работы по изучению глубинного строения и сейсмического режима территории Карелии; сотрудники данного института в 1999 г. основали региональную сейсмологическую сеть (Шаров, 2007). По сейсмическим данным, полученным в течение 20 лет, основными регистрируемыми событиями являются карьерные взрывы. Костомукшский горно-обогатительный комбинат (ГОК) производит 1–3 взрыва в неделю. Сейсмические станции Карелии и соседних регионов регистрируют в Костомукшском районе очаги магнитудами (ml) 1,5–2,5; в других районах Карелии магнитуды очагов составляют 1,0–1,7.

Данное исследование направлено на изучение сейсмических эффектов, возбуждаемых промышленными взрывами Костомукшского ГОК, и влияния короткозамедленного взрывания на магнитуду событий, а также продолжает серию опубликованных работ по современной сейсмичности Карелии (Зуева и др., 2017; Климовский и др., 2016; Зуева, 2019).

Материалы и методы

Сейсмическая сеть Республики Карелии состоит из четырех широкополосных сейсмических станций Guralp (Великобритания). Станция KOS6 располагается в 15 км от г. Костомукша, PITK – в пос. Леппясилта (Питкярантский район), PTRZ – в г. Петрозаводске. В 2016 г. введена в эксплуатацию станция PAAN в Лоухском районе (рис. 1, а). Синхронизация сейсмических данных по времени осуществляется с помощью GPS-приемников; данные автоматически записываются в память компьютера станции и передаются на сервер хранения. Технические характеристики и расположение сейсмодатчиков, используемых в Карельской сейсмологической сети, приведены в табл. 1 и 2. Cейсмоприемники регистрируют сейсмические события в широком диапазоне частот (от 0,033 до 50 Гц), который позволяет выделять на записи не только телесейсмические землетрясения, но и события регионального и локального масштабов при применении полосовой фильтрации определенных частот.

Таблица 1. Характеристики сейсмоприемников Карельской сети Table 1. Characteristics of the Karelian seismic network

Характеристика	Сейсмоприемник
	CMG-6TD	CMG-3ESP
Диапазон рабочих частот, Гц	0,033–50	0,033–20,6
Диапазон рабочих температур, °C	От –40 до +85	От –20 до +65
Чувствительность, В/м/с	1200	1,05·10 6
Масса, кг	2,7	9,3

Таблица 2. Координаты и типы датчиков Карельской сейсмической сети в 2019 г. Table 2. Coordinates and types of sensors of the Karelian seismic network in 2019

Сейсмостанция	Координаты	Тип сейсмометра
KOS6	64°35′31.3′′ с. ш.; 30°24′59.5′′ в. д.	Guralp CMG-6TD
PITK	61°40′13.7′′ с. ш.; 31°15′57.6′′ в. д.	Guralp CMG-6TD
PTRZ	61°50′31″ с. ш.; 34°22′47″ в. д.	Guralp CMG-3ESP
PAAN	65°45′39.1″ с. ш.; 31°04′11.8″ в. д.	Guralp CMG-6TD

Локация сейсмических событий проводится с помощью программы EL_WIN, разработанной сотрудником Кольского филиала Единой геофизической службы РАН В. Э. Асмингом (Асминг, 1997).

Развитие Карельской сейсмической сети обеспечивает контроль за землетрясениями на уровне магнитуд от 1 и более на территории региона. Особое внимание уделяется исследованию сейсмического эффекта промышленных взрывов (Друкованный, 1973; Еманов и др., 1987;2018; Шаров, 1976; Суворова и др., 1979; Еманов, 1982; Козырев и др., 2014; Сейсмичность при горных работах, 2002).

Рис. 1. Расположение сейсмостанций на территории Карелии в 2019 г. (а);

схема расположения карьеров АО "Карельский окатыш" (б) Fig. 1. a – location of the seismic network of Karelia in 2019;

б – quarries location of "Karelsky okatysh"

Промышленные взрывы на горнорудных предприятиях проводятся с коротким замедлением при сложных схемах заложения, коммутации и инициирования зарядов. При этом общий вес заряда может меняться в широких пределах и достигать 1 000 т, а интервал замедления срабатывания одних частиц заряда относительно других достигает единиц секунд и более (Шаров, 1976). На большинстве горных предприятий в зависимости от количества отрабатываемых блоков используется типичная схема взрывания: вес общего заряда от 50 до 1 000 т; общее количество скважин от 150 до 1200; общая продолжительность взрыва до 2,5 с.

Короткозамедленное взрывание в горном деле является основным способом снижения вредного в условиях промышленного производства сейсмического воздействия массовых взрывов. При короткозамедленном массовом взрыве происходит серия мгновенных взрывов, следующих через интервалы времени, заданные величиной замедления. Каждый мгновенный взрыв формирует волновой пакет колебаний, который состоит из отдельных волн P, S, R. Малое время замедления приводит к интерференции волновых пакетов отдельных взрывов в упругой зоне (Суворова и др., 1979). Амплитуды сейсмических волн определяются следующими основными факторами: весом заряда Q; величиной общего замедления t, которое складывается из числа ступеней и интервалов между ними; расстоянием между источником и приемником R; геологическим строением региона; условиями установки сейсмоприемников.

Исследования на территории восточной части Балтийского щита подтвердили обоснованность вывода о том, что энергия, формирующая изучаемые сейсморазведкой волны, определяется весом заряда, взрываемого при массовом взрыве в первой его ступени (Суворова и др., 1979), но лишь в случаях, когда масса заряда в первой ступени не меньше или хотя бы сопоставима с зарядами в последующих ступенях.

В Карелии самые мощные взрывы проводятся в Костомукшском районе, магнитуда достигает значения 1,5–2,5. В других районах магнитуда не превышает значение 2.

На территории АО "Карельский окатыш" действуют шесть карьеров: Центральный, Южный, Северный (Северный-2, Северный-3), Корпанга (Западный, Восточный) (рис. 1, б). В карьерах отрабатывается основная рудная залежь; проектная глубина составляет 700 м. Карьеры вытянуты с юга на север, их общая протяженность достигает 25 км.

Таблица 3. Координаты карьеров АО "Карельский окатыш" Table 3. Coordinates of "Karelsky okatysh" quarries

Карьер	Координаты
	с. ш.	в. д.
Южный	64°40'35''	30°43'05''
Центральный	64°40'50''	30°39'04''
Северный	64°44'20''	30°39'24''
Корпанга	64°47'37''	30°41'13''

Взрывы в карьерах производятся открытым способом 1–3 раза в неделю по утвержденным в установленном порядке проектам Костомукшского ГОКа. Способ включает подготовку блока; разработку схемы расположения скважин, графического материала и таблицы параметров взрывных работ; распорядок проведения массового взрыва. Масса взрывчатого вещества достигает 100–1 200 т. Массовым взрывом на открытых горных работах считается взрыв, смонтированный в общую сеть двух и более зарядов (независимо от протяженности заряженной выработки). На месторождении производятся короткозамедленные взрывы на 3–6 блоках одновременно.

Результаты и обсуждение

Взрывы, производимые в карьерах АО "Карельский окатыш", отчетливо выделяются на записях станции, установленной в Костомукшском районе (рис. 2, а). На горизонтальных компонентах видна S-волна. Эти события регистрируются всеми сейсмическими станциями Карельской сети и других регионов, если магнитуда события составляет более 1,7 (рис. 2, б).

В Костомукшском районе по сейсмическим данным, зарегистрированным станциями Карельской сейсмической сети и соседних регионов, взрывов магнитудой 3 и более не зафиксировано, так как на всех карьерах для снижения сейсмического эффекта применяется короткозамедленное взрывание.

Зависимость магнитуд от общих зарядов короткозамедленных взрывов на карьерах АО "Карельский окатыш" (первое полугодие 2018 г.) представлена на рис. 3. Магнитуда в среднем увеличивается с ростом общего заряда при равных зарядах в серии и наблюдается разброс точек от осредняющей кривой. Взрыв с общим зарядом 500 т имеет большее значение магнитуды (ml = 2,3), чем взрыв с зарядом 800 т (ml = 1,7). Магнитуда короткозамедленного взрыва должна определяться зарядом ступени, но если хотя бы один заряд будет больше остальных, магнитуда будет определяться данным зарядом; если в разных рядах инициирование некоторых скважин будет совпадать, то это условие также увеличит магнитуду за счет интерференционного усиления излучаемых колебаний. Сейсмический эффект взрыва не определяется общим зарядом взрыва. Взрыв дает сейсмический эффект по амплитуде чуть больше сейсмического эффекта заряда ступени. При этом короткозамедленное взрывание изменяет направленность воздействия и формирует поперечные волны (Еманов и др., 2018).

Рис. 2. Взрыв в карьере Западный (06.03.2018, ml = 2). Фрагменты трехкомпонентных записей сейсмических станций: а – KOS6; б – KOS6, PAAN, PITK, PTRZ Fig. 2. Explosion at the "Western" quarry (06.03.2018, ml = 2). Fragments of three-component records of the explosion at the seismic stations: a – KOS6; б – KOS6, PAAN, PITK, PTRZ

Рис. 3. Зависимость магнитуды от величины общего заряда короткозамедленного взрыва Fig. 3. The dependence of the magnitude on the total charge of a short-delay explosion

Заключение

В результате проведенного исследования получена зависимость магнитуды от величины общего заряда короткозамедленного взрыва, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:

• –    значения магнитуд взрывов увеличиваются с ростом общих масс зарядов; отмечается факт существенного разброса данных от осредняющей прямой. Магнитуды взрывов с меньшим общим зарядом превышают магнитуды взрывов с большим общим зарядом, так как согласно данным, полученным в работах (Еманов и др., 2018; Суворова и др., 1979), при короткозамедленном взрывании магнитуда зависит не только от общего заряда, но и от заряда ступени;

• –    короткозамедленное взрывание влияет на формирование поперечных S-волн: на трехкомпонентной записи станции KOS6, расположенной в нескольких километрах от карьеров Костомукшского ГОК, отчетливо видно вступление S-волны (рис. 2, а);

• –    снижение сейсмического воздействия промышленных взрывов достигается посредством использования эффективных схем короткозамедленного взрывания.

Исследование проведено в рамках государственного задания Института геологии КарНЦ РАН (темы НИР AAAA-A18-118020290086-1).