CC BY
31
------------------------------------- © О.А. Хачай, Е.Н Новгородова,
А.В. Кононов, О.Ю. Хачай,
2006
УДК 622.271
О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова, А.В. Кононов,
О.Ю. Хачай
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРА (ТЕОРИЯ,
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ)
Семинар № 3
Массив горных пород, находящийся под влиянием техногенного воздействия, кроме геологических неоднородностей, связанных с наличием контактов пород различного вещественного состава, обладает зонами повышенной трещиноватости и влагонасыщенности, которые являются источниками нестацио-нарности как в пространстве, так и во времени распределения вторичных полей напряжений, формируемых внутри массива. Эти процессы могут приводить к потери устойчивости массива, проявляющиеся в виде толчков или горных ударов различной силы. Для изучения и картирования зон динамической неустойчивости горного массива нами предлагается новая комплексная геофизическая методика.
Эта методика входит составной частью в разрабатываемую систему комплексного мониторинга напряженного состояния локальных зон горных пород, неоднородных по физическим и геомеханическим свойствам и геологическому составу, идейным вдохновителем которой являлся Н.П. Влох [1]. В основу этой методики заложены идеи, восходящие к математической теории интерпретации геофизических полей. В силу того, что необходимая нам информация может быть извлечена из наблюдаемых геофизических полей и носит косвенный характер, то важную роль приобретает формирование необходимой и достаточной базы данных для того, чтобы единственным и устойчивым образом
осуществить процедуру ее извлечения или, говоря языком математики, решить обратную задачу для комплексных геофизических исследований слож-
нопостроенной геологической среды. На сегодняшний день эта проблема является еще поисковой в теоретическом плане. Настоящая работа посвящена обсуждению ряда важных теоретических аспектов для разработки новых комплексных геофизических методик исследования и рассмотрению прикладных результатов их использования.
Проблема комплексной интерпретации геофизических полей становится все более актуальной с усложнением интерпретационной модели, описывающей массив горных пород, и изучением механизмов, приводящих к нестационарным его перестройкам. Горный массив, как и всякая геологическая среда, в общем случае описывается четырьмя взаимосвязанными функционалами: свойства, структура, состояние и состав. Поэтому в отличие от классической постановки интерпретации геофизических полей, когда ставится задача определения только структуры и свойств среды или массива, распределенных внутри этой структуры, возникает новая постановка проблемы [2] Она может быть решена в рамках формулировки комплексной обратной задачи, которая будет представлять собой систему, в общем случае, разнотипных операторных уравнений, отвечающих различным физическим по-
лям, связанных через перечисленные выше функционалы. Интерпретация геофизических полей даже в классической постановке связана с решением некорректных по Адамару обратных задач. Для получения устойчивого решения используются известные приемы регуляризации
[3]. Обычно эта проблема решается следующим образом: один из восстанавливаемых параметров, например геометрия среды, задается по результатам решения обратной задачи для одного поля и затем используется для получения решения обратных задач для других полей при этом в рамках эквивалентности восстанавливается распределение остальных физических свойств. Для решения обратной задачи в целом (т.е. для восстановления перечисленных выше четырех функционалов) важно оценить правильность и непрерывную сходимость полученного решения к истинному по комплексу данных. На сегодняшний день не известны математические результаты исследования этого вопроса, однако только его решение и позволит создать оптимальную комплексную методику исследования, требования к которой диктуются именно свойствами оператора обратной задачи. С появлением новой вычислительной техники создается впечатление, что разработка новых методик может опираться только на результаты моделирования. С помощью математического моделирования удается изучить морфологию поля в зависимости от перечисленных функционалов, однако решить вопрос о разрешающей способности и эффективности методики не представляется возможным.
Нами предложен возможный подход к изучению строения и состояния массива горных пород с использованием динамических сейсмических и электромагнитных полей на основе решения однотипных операторных уравнений, различающихся явным видом ядерных функций. Исполь-
зуя этот подход и идеи А.В. Цирульского о двухэтапной интерпретации потенциальных полей, нами была создана единая концепция трехэтапной интерпретации электромагнитных и сейсмических полей
[4]. В этой концепции в качестве регуля-ризующих используются идея фильтрации входных данных в область определения решения оператора одномерной обратной задачи и идея аппроксимации аномальных полей классом полей с заранее заданными свойствами [2].
Рассмотрим составные части этой концепции:
1. На первом этапе определяются электромагнитные и сейсмические параметры вмещающей упругие и геоэлектрические неоднородности горизонтально слоисто -блокового массива горных пород.
2. На втором этапе осуществляется подбор аномального поля полем системы погруженных в среду (с определенными на первом этапе физическими параметрами) сингулярных источников, эквивалентных по полю локальным геоэлектриче-ским и упругим неоднородностям. При этом определяется геометрическая модель отдельных локальных неоднородностей или группы и их взаимное расположение внутри слоисто - блоковой вмещающей среды.
3. На третьем этапе определяются поверхности искомых неоднородностей в зависимости от значений физических параметров аномалеобразующих объектов.
Для практической реализации этой концепции получены следующие теоретические и практические результаты [6, 7]:
1. Разработана и опробована единая система наблюдений для переменного электромагнитного и сейсмического полей с использованием локального источника возбуждения. Выбор типа источника возбуждения определялся
290
40 90 120 180 200 240 2Я0 320 ЗИО 400 440 <Ш0 520 МО
Хд(
Рис. 1. Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности (10 кГц) и модуля полного вектора постоянного магнитного поля (I). Участок аллювиальной россыпи Условные обозначения: пк - пикет, Пр - профиль.
■
291
Цм
5000 р, Ом*м
Рис. 2. Геоэлектрический разрез аллювиального участка платиновой россыпи, частота 10 кГц. Кытльш, 1995.
Горизонтальными короткими линиями показано расположение литологических границ по разведочным линиям Л241, Л242 и Шахте 1. N - номера пикетов.
следующим: а) единой геометрией
нормального поля, б) отсутствием одной или нескольких компонент в измеряемом поле в случае квазислоистой среды. Такими свойствами в случае электромагнитного поля обладает вертикальный магнитный диполь, в случае сейсмического поля - вертикально действующая сила. Наличие локального источника возбуждения позволяет регулярно при заданной сети наблюдений реализовать перекрытия при различных углах видимости (источник возбуждения -неоднородность). В качестве входных данных для интерпретации используются три компоненты магнитного поля и три компоненты поля упругих смещений как функции пространственных координат и времени. В случае наземных наблюдений данные фиксируются на дневной
поверхности для набора расстояний между источником и приемником как функции времени. Анализ решения прямых задач для сейсмического и электромагнитного случаев показал [8], что единый вычислительный подход реализуем к тем и другим полям в случае предварительного перевода электромагнитных данных на
действительную ось, а сейсмических на мнимую ось комплексной плоскости
частоты. При этом весь дальнейший
процесс интерпретации необходимо вести на этой плоскости, не переходя обратно во врем.е1Дую обализации второго этапа, а именно анализа аномального поля, были введены отношения модулей горизонтальных компонент сейсмического и магнитного поля, как функции пространственных координат и действительного или мнимого параметра частоты. В цилиндрической системе координат- это есть отношения ф
- компоненты к р - компоненте, которые имеют смысл
параметров сейсмической и геоэлектриче-ской неоднородности и количественно характеризуют степень отклонения среды от горизонтально - слоистой. Подбор этих параметров осуществляется с помощью аппроксимационной конструкции [6,7],
построенной на основе явных выражений для полей сингулярных источников следующего вида: для сейсмического поля -это набор точечных источников сил, действующих на отрезке конечной длины в произвольном направлении, для электромагнитного поля - набор токовых линий конечной длины. Анализ прямой задачи для сейсмического случая при действии источника, расположенного в горизонтальной плоскости, позволяет сделать вывод о том, что для достижения единства морфологии подбираемых аномальных полей предпочтительна для электромагнитного поля система сингулярных источников в виде замкнутых токовых контуров
- горизонтальных магнитных диполей. Несмотря на то, что как та, так и другая система является полной и пригодной для подбора аномальных электромагнитных полей [9], при совместной комплексной интерпретации сейсмических и электромагнитных полей, кроме изменения вида конструкции необходимо ввести в электромагнитном случае дополнительный параметр, являющийся отношением электрических горизонтальных компонент р и ф, пространственное распределение которого более тесно связано с распределением параметра сейсмической неоднородности в его сдвиговой части и следовательно в электромагнитном случае необходимо измерять дополнительно горизонтальные электрические компоненты, либо соответствующие производные магнитного поля.
Разработаны алгоритмы реализующие все этапы интерпретации, позволяющие исследовать применимость этого подхода для анализа практических данных [10, 11]. Для одновременного использования данных различных полей были разработаны основные принципы построения площадных систем наблюдений, позволяющие, с одной стороны, получить согласованную по нормальному полю базу данных, с другой стороны - реализовать 3Б интерпретацию в рамках унифицированных алгоритмов [6]. Примеры практического применения свидетельствуют о высокой информа-
тивности предлагаемого комплексирова-ния [12-13]. Одним из направлений, в которых используется эта методика является изучение строения платиновых россыпей и их взаимосвязи с коренным источником. По классическим представлениям [14], для процесса образования россыпей большое значение имеют физическое и химическое выветривание, которые протекают в тесном взаимодействии друг с другом и непосредственно связаны с процессом тре-щинообразования. Во многих породах имеются так называемые первичные трещины, не связанные с физическим выветриванием. В осадочных породах всегда имеются плоскости слоистости, в результате процесса складчатости появляются системы трещин сланцеватости и отдельности. В изверженных породах первичными являются концентрационные трещины, образующиеся от сокращения объема при остывании породы, в дальнейшем в ней могут появиться и тектонические трещины. Присутствие в породе таких трещин значительно облегчает ее физическое выветривание. Порода распадается на отдельные глыбы прежде всего именно по трещинам отдельности, а затем уже эти глыбы подвергаются дальнейшему измельчению под влиянием температурных воздействий. Каждая порода обладает своей системой трещин отдельности, располагающихся в зависимости от условий образования породы и позднейших тектонических воздействий. От густоты расположения трещин отдельности зависит сопротивляемость пород выветриванию. Чем гуще расположены эти трещины, тем легче порода выветривается.
Трещины заполняется водой как поверхностной, так и грунтовой, которая разделывает их как физическим, так и химическим путем. Ясно, что решение задачи о картировании проводящих каналов платинового компонента от коренного источника к россыпи на основе геофизических методов должно опираться на геологические знания о процессах трещинооб-разования.
Приведенные сведения из геологии формирования россыпей показывают, что важнейшим требованием к аппаратурнометодическому геофизическому комплексу для их изучения и методике интерпретации геофизических данных является принципиально новая разрешающая способность метода в условиях отсутствия априорной информации об исследуемом участке. Это достигнуто в рамках разработанной в Институте геофизики УрО РАН по-планшетной методики электромагнитных индукционных исследований в частотно-гео-метрическом варианте, которая используется для картирования и мониторинга сложнопостроенных геологических сред в наземном и подземном (шахтном) варианте [5, 12, 15]. Адаптация этой методики к подземным исследованиям в шахтных выработках для определения структуры массивов горных пород, состояния и их динамики при техногенном воздействии позволила провести объемные геофизические исследования в геологической среде и выявить основные структурные факторы и критерии состояния геологической среды [12, 15, 2001, 2003]. Используемая методика относится к геофизическим методикам неразрушающего контроля. Она отличается от известных ранее методик просвечивания или томографии системами наблюдения и последующим методом интерпретации [14].
В процессе полевых работ 1999-03 гг. методом попланшетной электромагнитной индукционной съемки совместно с магнитометрической съемкой исследовалось строение платиновых россыпей, развивающихся в пределах Косьвинского дунитового тела и вмещающих его клинопироксенитов, рис. 1.
На рис. 1, 2 показаны результаты восстановления сложной блоковой
структуры вмещающих пород, в пределах которых находилась платиновая россыпь. Результаты геологической заверки в виде разведочных буровых линий и открытых вскрышных работ позволили убедиться в достаточной разрешающей
1 11 21 31 Пк 41 51 61
I м 111 м м 111 м I
400 500
I м 11 I
600
1 г
0 20 50 90 150 200 500 1000 5000и более (Омчм)
способности новой электромагнитной методики для картирования блочной
структуры.
На рис. 3 (а и б) представлены результаты исследования бермы оползнеопасного участка Качканарского карьера (а) - распределение параметра среднего параметра геоэлектрической неоднородности на частоте 10 кГц, характеризующие степень неоднородности массива, (б)
- разрез- содержащий блоковые структуры и зоны дезинтеграции, меняющие свое положение в оползневой зоне. Это может быть информативным признаком для оконтуривания этой зоны и оценки ее устойчивости. Таким образом изучение процесса потери устойчивости бортов карьеров можно производить с помощью предложенной методики неразрушающего контроля в рамках активного мониторинга три-четыре раза в год циклами, содержащими повторные наблюдения до и после массового взрыва вблизи оползневого участка. Полученная информация позволит оперировать с количественной оценкой степени риска сползания борта карьера.
-------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рис. 3
1. Хачай О.А. Комплексный геофизический и геомеханический подход для мониторинга деформационных процессов.// Проблемы безопасности и совершенствования горных работ. Пермь. Тезисы докладов международной конференции. 1999. С. 235-236.
2. Хачай О.А. Теоретические принципы комплексной интерпретации геофизи-
б
0
200
300
м
ческих полей на основе метода решения обратной задачи с использованием методов регуляризации.// Геофизика и математика. - М.: ОИФЗ РАН. 1999.- С. 229-231.
3. Алгоритмический анализ некорректных задач. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции, посвященной памяти В.К.Иванова. Екатеринбург 1998. - С. 318.
4. Хачай О.А. Трехэтапный метод интерпретации переменных электромагнитных полей и его практическая реализация. // Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками. С.- Петербург. РАН. 1996. - С. 30-31.
5. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование новой трехмерной методики электромагнитных исследований строения горных массивов. Физика Земли. 1999, №5, с. 7-12.
6. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Опыт площадных индукционных исследований резко неоднородных геоэлектрических сред. // Физика Земли 1997. №5, с. 60 - 64.
7. Хачай О.А. Бодин В.В., Хинкина Т.А. Теоретические принципы частотно - геометрических трехмерных исследований горно - геологической среды. // Горная геофизика С.-Петербург. Материалы международной конференции. 1998. -С. 583-590.
8. Хачай О.А., Хинкина Т.А. Об одном ал-
горитме решения обратной сейсмической задачи для упругой одномерной среды.// Астрономо -
геодезические исследования. Екатеринбург. УрГУ 1997г. - С. 174-17В.
9. Светов Б.С., Губатенко В.П. Апалити-
ческие решения электродинамических задач. - М.: Наука. 19ВВ. - С. 342.
1G. Хачай О.А. Унифицированный метод решения обратной задачи электромагнитных зондирований для одномерной среды. // Изв. АН СССР, Физика Земли, 19BG, №3, с. 31-6G.
11. Хачай О.А. О решении обратной задачи для трехмерных переменных электромагнитных полей. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1991. №б, a3G-37.
12. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование новой трехмерной методики электромагнитных исследований строения горных массивов. Физика Земли. 1999, №3, с. 7-12.
13. Хачай О.А. Дружинин В.С., Хинкина Т.А. Развитие способов картирования 3-D пеодпород-ностей земной коры на основе методики сейсмических частотно - геометрических иследований. 3G лет ГСЗ, Москва, Материалы Межд. сов. 1999, с. 124.
14. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай А. Ю. Картирование трехмерных проводящих зон с использованием площадных систем наблюдения в рамках 3-D частотно-геометри-ческой методики. // Геология и геофизика, 2GGG, т.41, №9, с. 1331134G.
13. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород.// Физика Земли, 2GG1, №2, с.В3-92.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Хачай О.А. - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, заведующая гр. СЭМИ,
Хачай О.Ю. - магистрант УрГУ, старший лаборант гр. СЭМИ,
Кононов А.В. - аспирант, младший научный сотрудник гр. СЭМИ,
Новгородова Е.Н. - научный сотрудник, гр. СЭМИ,
Институт геофизики УрО РАН, г. Екатеринбург,
