Известно, что практически в любом здании или инженерном сооружении, в силу их ограниченного объема, при распространении колебаний формируется набор стоячих волн. Каждая из стоячих волн характеризуется частотой собственных колебаний, которая неизменна, если не изменяется состояние объекта исследования. Изменения могут быть как обратимого, так и необратимого характера. К первым относятся сезонные изменения: температурные вариации, оттаивание или промерзание конструкций, изменение снеговой нагрузки, оттаивание или промерзание грунта в основании сооружения, изменение уровня воды в водохранилище (для плотин ГЭС) и др. Изменения необратимого характера, такие как растрескивание строительных конструкций, оттаивание вечномерзлых пород в основании сооружения и др., наиболее опасны для устойчивости сооружений и требуют всестороннего изучения. Мониторинг частот собственных колебаний сооружений, а именно слежение за их изменением во времени, причем с учетом изменений обратимого характера, позволяет обнаруживать разрушительные процессы при их эксплуатации.

Первоисточник:

Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Соловьев В.М. Определение устойчивости отвалов угольных разрезов по собственным колебаниям (по данным мониторинга на Колыванском месторождении антрацита, Новосибирская область) // Геология и геофизика. – 2023. – Т. 64, № 5. – С. 754-763.

https://elibrary.ru/download/elibrary_52239030_13008553.pdf

В настоящее время естественная сейсмичность на территории России контролируется сейсмологическими станциями ФИЦ ЕГС РАН и учитывается, при принятии различных решений, федеральными и местными органами управления, опираясь на карту сейсмического районирования. В последние годы происходит значительное увеличение техногенной составляющей, при наблюдениях за сейсмическими процессами в районах угольных разрезов, но кто должен следить за этими явлениями, какие системы наблюдений должны при этом использоваться, кто и какие действия должен предпринимать, получив данные по техногенной сейсмичности, четко не определено. Выделяется два типа техногенных сейсмических воздействий от угольных разрезов, регистрируемых станциями сейсмологической сети. Первый – это импульсные или кратковременные сейсмические воздействия, весьма схожие с естественными землетрясениями, связанные разработкой больших карьеров. Второй – регистрируемые сейсмографами длительные и достаточно устойчивые во времени малоамплитудные колебания, как правило характеризующиеся определенной частотой (или полосой частот).

Если первый тип техногенных воздействий (хоть и недостаточно) изучается с использованием информации, получаемой сейчас в России, в основном, с временных сейсмологических станций (например, Бачатское техногенное землетрясение с M>6 [10]), то второй тип исследован весьма слабо, и специальных систем наблюдений для его изучения в России практически нет. Как правило, лишь после аварии выясняются ее причины [11].

Следует отметить, что техногенные шумы – это не только «вред», но и, если их грамотно использовать, большая «польза». Если у нас есть регистрирующие станции, расположенные на каком-то расстоянии от источника техногенных шумов, то на полученных этими станциями сейсмических записях есть информация об объектах, которые излучают колебания, изменениях их свойств во времени, о техническом состоянии агрегатов, работающих в этих объектах и изменениях, происходящих в среде. И эту информацию можно с успехом использовать. Как правило, большинство техногенных шумов, регистрируемых удаленными сейсмостанциями, являются малоамплитудными, длительными по времени и изменяются по каким-то определенным законам, как по интенсивности, так и по частоте. Такие сигналы можно накапливать, особенно хорошо, если известны законы их изменений.

В исследовании, на примере сейсмологических наблюдений в окрестности Колыванского месторождения антрацита (рис. 1), показывается, как накапливать малоамплитудные сигналы и какую информацию можно извлечь из техногенных шумов.

18 июля 2020 г., примерно в 21:15 местного времени, на северо-западном склоне Елбашинского отвала Колыванского месторождения антрацита произошел оползень, с предварительно оцененным объемом около 10% от массы отвала [12]. Отмечено, что деформация отвала сопровождалась мощным селевым потоком. Это также видно из фотографий, сделанных после происшествия (рис. 2). Создана комиссия по расследованию причин инцидента, которые на настоящий момент не выяснены.

АСФ ФИЦ ЕГС РАН занимается изучением сейсмической обстановки в Алтае-Саянском регионе и прилегающих территориях. Одна из станций сейсмологической сети –«Харино» (международный код KHAR) расположена в 7 км южнее Елбашинского отвала. Используя записи этой станции, будем разбираться в причинах, которые привели к образованию оползня. Мы уже давно занимается проблемами дистанционного контроля процессов, приводящих к техногенным авариям [11;13], имеем в этом направлении определенный опыт и успехи, и данный отчет – еще один шаг в этом направлении.

Рис. 1. Схема сейсмологических наблюдений на карте угольных месторождений Новосибирской области.

Рис. 2. Стоп-кадры видеосъемки после схода оползня [https://youtu.be/KhXGpzuzPCU]

Методика и данные

Чтобы понять окружающую обстановку вокруг отвала, на рис. 3 приведены спутниковые снимки, сделанные в разное время, с обозначенными отметками высот над уровнем моря для нетронутой земной поверхности. На снимке 2002 года, изображающем естественный ландшафт, видно, что на месте будущего отвала существовал временный водоток, направленный на северо-восток. К северо-западу от него находится еще один водоток, отделенный от первого водоразделом с высотой над уровнем моря в 209-223 м. На снимках 2013-2015 годов видно, что формирующийся отвал препятствовал естественному стоку вод, и в его западной части происходило обводнение. Отмечено, что в мае 2015 года, на месте временного водотока, сформировался пруд длиной около 1 км, уровень воды в котором достигал примерно 220 м, что уже тогда превышало среднюю высоту водораздела. Из снимка 2019 года видно, что временный водоток уже полностью был засыпан отвалами горных пород. К 2020 году обводненная часть отвала могла составлять первые десятки метров по высоте и около квадратного километра по площади.

Рис. 3. Спутниковые снимки Елбашинского отвала [Google Earth Pro]. 1 – отметки высот нетронутой земной поверхности; 2 – направления временных естественных водотоков

Для того чтобы оползень начал движение, нужен был лишь толчок. При анализе записей, полученных за период, охватывающий время до и после деформации отвала, не было выявлено каких-либо значимых сейсмических воздействий, которые могли бы быть достоверной ее причиной. Также не было выявлено и колебаний, вызванных движением оползня (рис. 4). Возможно, какие-то воздействия и были, но, из-за удаленности станции от отвала (7 км), их амплитуда была меньше уровня сейсмического шума. Вместе с тем, в сейсмическом шуме станции «Харино» обнаружены малоамплитудные сигналы, которые, с высокой вероятностью, могут быть связаны с колебаниями Елбашинского отвала, и интерпретация которых позволяет объяснить процессы, происходящие до и после схода оползня.

Рис. 4. Исходная запись сейсмостанции «Харино» до и после деформации.

В первую очередь, был проведен качественный анализ изменений во времени амплитудно-частотных характеристик зарегистрированных сейсмических колебаний. Для этого строились спектрограммы в виде двумерных функций, по вертикальной оси которых представлено время, по горизонтальной – частота; третье измерение является амплитудой на определенной паре частота-время и представлено цветовой шкалой (рис. 5).

Можно отметить нетипичную для станций сейсмологической сети картину шумов на низких частотах (до 0.1 Гц) – видно, что в дневное время их уровень значительно выше, чем в ночное. Вероятно, это связано с режимом техники, работающей на карьерах и перевозящей уголь. Можно предположить, что большегрузные машины создают такой уровень сейсмических колебаний, что формируются стоячие волны в объеме Горловской впадины. К сожалению, нам не удалось определить собственную частоту этих колебаний, но, по оценкам, она меньше нижнего предела технических возможностей аппаратуры (0.0083 Гц, что соответствует периоду 120 с).

Колебания в интервале частот 0.1-0.35 Гц практически не меняются по амплитуде с течением времени, известны в сейсмологии и интерпретируются как отклик колебаний волн в морях и океанах.

Наиболее интересны колебания с частотой около 0.6 Гц, которые прослеживались длительное время и непрерывно на всех компонентах записи и прервались единовременно со сходом оползня. Это вполне могут быть собственные колебания Елбашинского отвала, если для оценки значений частот руководствоваться методикой [15]. Так, линейные размеры объекта, имеющего первую собственную частоту f=0.6 Гц, могут составлять L=V/2f, где при скорости V=2.6 км/c, L≈2.2 км; эта величина хорошо совпадает с размерами отвала. Кроме этого, можно заметить, что на E-компоненте отмеченные колебания изменились: понизилась амплитуда и незначительно увеличилась частота. Вероятно, последние сигналы также связаны с колебаниями отвала, физические параметры которого поменялись после деформации.

Рис. 5. Спектрограмма сейсмических данных станции «Харино»

Предыдущими исследованиями установлено, что в записях сейсмических станций, установленных на расстояниях в несколько километров от крупных промышленных объектов (например, плотины ГЭС), содержатся сигналы, источником которых является сам объект, колеблющийся на собственных частотах. В качестве примера приведем рис. 6, на котором демонстрируется способ дистанционного мониторинга собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Видно, что локальные максимумы спектров колебаний верхней части плотины, отражающие собственные частоты сооружения, что подтверждено в работе [13], прослеживаются и на усредненном спектре сейсмостанции «Черемушки», расположенной в 4.4 км от ГЭС (рис. 6б). Таким образом, вычисляя усредненные спектры в разное время, можно отслеживать изменения собственных частот объекта, используя данные с удаленной сейсмической станции (рис. 6в).

Необходимо отметить, что амплитуды зарегистрированных сейсмостанцией колебаний, источником которых является удаленный от нее объект, как правило имеют очень низкие значения по сравнению с фоном помех. Так, в рассмотренном выше примере, они составляют первые десятки нм/c, что на два и более порядка ниже по интенсивности, чем при регистрации на плотине. Поэтому, для выделения таких слабых сигналов необходимо применять процедуры, повышающие соотношение сигнал/шум. В ФИЦ ЕГС РАН разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее проводить анализ изменений амплитудно-частотных характеристик сейсмических записей с течением времени [16]. Одна из заложенных в нем функций позволяет рассчитывать усредненные амплитудные спектры в выбранном частотно-временном окне. Алгоритм их вычисления состоит в расчете наборов амплитудных спектров для заданных временных интервалов, на которые разделяется сейсмическая запись, с их последующем усреднением. Это позволяет, при условии достаточной длины записи, выделить из сейсмического шума полезные сигналы, имеющие квазистабильные спектры, по амплитуде на порядки ниже уровня шума. Так, для уверенного выделения сигналов, изображенных на рис. 6в, необходимо усреднять записи длительностью около суток.

Рис. 6. К способу дистанционного мониторинга собственных частот сооружения. (а) – схемы сейсмических наблюдений в окрестности и в плотине Саяно-Шушенской ГЭС; (б) – усредненные спектры одновременных записей; (в) – фрагменты усредненных спектров суточных записей сейсмостанции «Черемушки» за 2012 г.

На рис. 7 показаны фрагменты усредненных спектров, вычисленных по сейсмическим записям длиной в 5 суток до и после момента схода оползня. Видно, что после события 18.07.2020 21:15 выделенные колебания с частотой около 0.6 Гц исчезают, что позволяет связать их с колебаниями отвала. Наличие сигналов на удаленных станциях обусловлено распространением совокупности сейсмических волн от источника колебаний. Так как источник поверхностный, то большая часть энергии переносится за счет поверхностных волн Лява и Релея. Из рис. 7 видно, что амплитуда колебаний на Z-компоненте заметно ниже, чем на E- и N-, поэтому наибольшая часть энергии может быть связана с распространением волны Лява, колебания которой перпендикулярны направлению на источник. Это видно из рисунка – у станции «Харино» (KHAR), расположенной с юга от отвала, наибольшая энергия колебаний сосредоточена на перпендикулярной E-компоненте, а у станций NVS и BSTK, расположенных с северо-запада и юго-запада соответственно, амплитуды колебаний на горизонтальных компонентах имеют близкие значения. Таким образом, наблюденные особенности волнового поля на сейсмостанциях не противоречат известным представлениям о распространении сейсмических волн, а описанный прием может быть использован в дальнейшем при идентификации источников колебаний, записанных на сейсмостанциях.

Так как наибольшие по амплитуде колебания сосредоточены на Е-компоненте ближайшей к отвалу станции «Харино», а значит меньше подвержены негативному влиянию помех, дальнейшие построения и интерпретация будет производиться с использованием указанных записей.

Рис. 7. Проявление в записях сейсмостанций колебаний Елбашинского отвала Колыванского месторождения. 1 – направление на месторождение; 2 – код сейсмостанции, расстояние до отвала; 3 – усредненные амплитудные спектры пятисуточных записей до (а) и после (б) события 18.07.2020 21:15

Результаты и обсуждения

Для повышения достоверности выявленной связи колебания с частотой 0.6 Гц с Елбашинским отвалом, проанализированы архивные записи сейсмической станции за 4.5-годовой период – с 01.01.2017 по 31.07.2021 (рис. 8-9). Отвал формировали не один год, и поэтому колебания, связанные с ним, должны были прослеживаться длительное время. На рис. 8а показаны изменения фрагментов (в интервале частот 0.4-1.0 Гц) усредненных спектров десятисуточной сейсмической записи, а на рисунке 9а – соответствующие определения частот. Здесь и далее длина записи для вычисления единичного спектра составляла 200 с, что определило разрешенность спектра – 0.005 Гц. Выбрана для анализа E-компонента, как наиболее интенсивная по амплитуде, а результат усреднения соотнесен с серединой соответствующего временного интервала. Из рисунка видно, что на записях, начиная с конца 2018 г. – начала 2019 г., вплоть до момента деформации, присутствуют колебания f1 с частотами, меняющимися в пределах 0.60-0.64 Гц, которые исчезают после схода оползня. Наблюдается плавное и монотонное уменьшение частоты с течением времени. Из рисунка 8б и 9б, где представлены усредненные спектры пятисуточных записей за более короткий период наблюдений и соответствующие им определения частот, видно, что, с начала 2020 г. и до момента схода оползня, колебания f1 наблюдаются с частотами 0.60-0.61 Гц, которые затем сменяются колебаниями f2 с меньшей в несколько раз амплитудой и с частотой, повышенной до 0.620-0.625 Гц. Колебания f2 после 30.08.2020 становятся практически неразличимыми, вероятно, из-за снижения их амплитуд. Для более подробного рассмотрения изменений характеристик исследуемых колебаний были построены наборы усредненных спектров за односуточные интервалы записей и определены частоты (рисунок 8в, 9в). Видно, что, примерно за 20 дней до деформации, происходил постепенный рост амплитуд колебаний f1, а за 2 дня до оползня – их снижение. Амплитуда сменивших их колебаний f2 примерно в 5-6 раз ниже.

Рис. 8. Эволюция колебаний отвала по данным E-компоненты сейсмостанции «Харино». (а, б, в) – ряды усредненных амплитудных спектров десяти, пяти и односуточных записей, соответственно. 1 – отметка времени оползня (18.07.2020 21:15); 2 – выделенные колебания отвала

Рис. 9. Изменения частоты колебаний отвала, определенные по усредненным амплитудным спектрам десяти (а), пяти (б) и односуточных (в) записей. 1 – отметка времени оползня (18.07.2020 21:15)

Процессы, происходящие на Елбашинском отвале до и после деформации, с учетом анализа спутниковых снимков и записей сейсмической станции «Харино», объясняются следующим образом. По фотографии оползня видно, что он распространился, подобно грязевому потоку, на расстояние, существенно превышающее высоту отвала. Такое могло произойти только при условии, что породы были сильно обводнены. Как следует из спутниковых снимков, уровень воды в образовавшейся при отсыпке отвала запруде превышал основание отвала на несколько десятков метров. Площадь отвала более 2 км², отсюда можно оценить, что в нем находилась вода объемом, не менее 7 млн. м³ (при среднем водонасыщении 10 %), которая и вытекла из тела отвала вместе с породой. Обводнение отвала являлось причиной его неустойчивости, что выражалось в его многомесячных колебаниях с частотой 0.60-0.67 Гц, характеристики которых менялись как в процессе формирования отвала, так и после деформации. Отсыпка горных пород приводила к постепенному росту массы и размеров отвала, что проявилось в постепенном уменьшении частоты колебаний с 0.67 Гц до 0.60-0.61 Гц. Сход оползня привел к уменьшению массы отвала, и этим объясняется увеличение частоты колебаний, которое составило около 3%. На столько же должна была измениться масса отвала, если на колебания не повлияли другие факторы. После деформации, огромные массы воды вместе с породой вытекли из тела отвала, и это привело к увеличению жесткости основания, что проявилось в резком уменьшении амплитуд колебаний. Вероятно, уже после оползня, какая-то часть воды постепенно продолжала выходить из отвала. Этим можно объяснить, что колебания f2 затихли примерно через месяц после события. Обводнение отвала и является основной причиной возникновения оползня. А что же явилось спусковым крючком? Какие явления способствовали его возникновению? Как отмечалось, анализ записей сейсмологической сети, окружающей месторождение, не выявил значимых сейсмических воздействий, которые могли бы спровоцировать сход оползня. Это позволяет полагать, что данная деформация возникала по сценарию «последней капли».

Заключение

Анализ данных спутниковых снимков и сейсмологических записей позволил высказать предположение о причине возникновения и развития оползня на Елбашинском отвале Колыванского месторождения антрацита, как формирование значительных горизонтальных колебаний в теле отвала, которые при сильном обводнении последнего спровоцировали сход оползня. Выделенные в отчете собственные колебания отвала позволяют теперь ставить целенаправленные работы по регистрации сейсмических шумов на подобных объектах и разбираться в связях обводненности пород с изменениями амплитудно-частотных характеристик собственных колебаний таких крупных объектов.