CC BY
9
УДК 622.831.1: 550.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДОНОМЕТРИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ ГОРНОГО МАССИВА ЕСТЮНИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Т.Ш. Далатказин
Представлены результаты исследований геодинамической ситуации горного массива Естюнинского месторождения с использованием наблюдений за полем эмана-ций радон, для обеспечения безопасного ведения подземных горных работ. Представлены методики полевых радонометрических измерений, обработки полученных данных и результаты исследований, позволяющие оценить геодинамическую ситуацию. Для проверки достоверности результатов радонометрических исследований выполнено сопоставление параметров поля радоновых эманаций и вертикальных смещений за период предшествующих мониторинговых наблюдений. Исследования показали эффективность использования радонометрии при геодинамической диагностике подрабатываемого горного массива.
Ключевые слова: радон, геодинамическая диагностика, горный массив, разрывное нарушение, сдвижения.
Введение
Анализ причин возникновения природно-техногенных катастроф на объектах недропользования показывает значительную роль в их формировании современной геодинамической активности массива горных пород, природного и техногенного происхождения. Для предотвращения таких катастроф необходимо определить параметры геодинамической ситуации - детально изучить тектоническое строение массива, выполнить геодинамическое районирование. На начальном этапе изучения геодинамической активности в качестве экспресс-метода предлагается использовать радо-нометрию. Предпосылками использования радонометрии при изучении подвижности горного массива являются уникальные свойства радона и его повсеместное распространение в Земной коре.
Цель
В 2009 году ИГД УрО РАН с целью решения вопроса обеспечения безопасности охраняемых объектов, попадающих в зону влияния горных работ, выполнил опытно-методические исследования по внедрению радо-нометрии в комплекс геодинамической диагностики для предварительного геодинамического районирования горного массива Естюнинского железорудного месторождения. Был использован комплекс, состоящий из эма-национной съемки и традиционных геодезических методов.
Необходимость выполнения радонометрических исследований определилась получением структурно-геодинамической модели исследуемого горного массива и построения карты геодинамического районирова-
ния для решения вопроса обеспечения безопасности охраняемых объектов, попадающих в зону влияния горных работ.
Результаты мониторинга за процессом сдвижения в период 1996 -2010 гг. на профильной линии III - III были привлечены в качестве параметрических.
Территория непосредственных измерений локализована на участке над отработанным пространством.
Объект исследований
Вмещающий массив месторождения сложен метаморфическими породами: диоритами и роговиками. По прочностным свойствам все ру-довмещающие породы и руды относятся к прочным и весьма прочным. По соотношению значений пределов прочности на растяжение и сжатие все породы относятся к группе хрупких и весьма хрупких.
Естюнинское месторождение находится в пределах крупного тектонического блока, имеющего в широтном направлении размеры от 2 до 2,5 км и вытянутого в меридиональном направлении более чем на 5 км. Блок ограничен нарушениями субмеридиональной и северо-западной ориентировки.
Пострудные разрывные нарушения, выявленные геофизическими исследованиями или вскрытые горными выработками, представлены трещинными зонами и трещинами в основном северо-западного, реже субмеридионального и северо-восточного простирания. Трещинные зоны характеризуются мощностью от нескольких до 20 - 30 м. Простирание их в основном северо-западное. Они пересекают породы месторождения. Выявленные трещины имеют небольшую протяженность, крутые углы падения и субмеридиональное или субширотное простирание. Величины зафиксированных смещений по трещинам до 1 м.
Для массивов пород уральских месторождений характерно наличие горизонтальных напряжений, действующих в субширотном направлении и часто превышающих вертикальные напряжения в 2 - 5 раз. Высокие величины сжимающих напряжений (до 40...60 мПа и более) отмечены на Естюнинском месторождении уже на глубинах 400... 500 м [1].
Применение комбинированной системы отработки Естюнинского месторождения при высокой крепости пород привело к задержке процесса обрушения висячего бока, зависшего в виде консоли. Это создает потенциальную опасность внезапного обрушения.
Исследования проводились в районе профильной линии III - III наблюдательной станции мониторинговых инструментальных геодезических наблюдений. Данный участок расположен в зоне интенсивного техногенного воздействия подземных горных работ шахты «Естюнинская». Здесь же расположены отвалы, принимающие участие в формировании напряженно-деформированного состояние массива. Согласно результатам инструментальных наблюдений за период 1996 - 2010 гг. по профильной
линии III - III в различные временные отрезки следует, что на данном участке земной поверхности образовалась устойчивая общая мульда сдвижения, граница которой уходит за пределы профильной линии.
Прилегающая к профильной линии, расположенной вдоль дороги, территория представлена густым лесом, из-за чего здесь возможны только традиционные геодезические измерения.
Методы
Уникальность использования радонометрии при изучении геодинамической ситуации определяется, свойствами радона и тем, что поле радоновых эманаций формируется всем диапазоном современной геодинамической активности и обобщенно характеризует её интенсивность.
Радон - благородный, химически инертный газ - не вступает во взаимодействие с другими элементами. Источник альфа-излучения и поэтому уверено регистрируется даже при малых концентрациях специальными приборами. В 7,5 раз тяжелее атмосферного воздуха. Обладает высокой проникающей способностью. Период полураспада радона-222 составляет 3,8 суток, торона -220 - 59 сек. Генерация его происходит непрерывно во всех горных породах.
Поле радоновых эманаций надразломных участков формируется в соответствии:
- с дифференциацией по степени проницаемости, характерной для подвижных участков разломной зоны и определяющей условия миграции радона и других флюидов;
- с распределением степени воздействия упругих волновых колебаний, вызванных современными подвижками в массиве;
- со свойствами радона.
Взаимосвязь геодинамических процессов с интенсивностью эмани-рования радона подтверждается мониторинговыми геодезическими измерениями с использованием традиционных методов и высокоточных GPS-технологий спутниковой геодезии. Установлена положительная корреляционная зависимость между интенсивностью процесса эманации радона из горных пород и степенью воздействия на них напряженно-деформационного поля. Использование радонометрии позволяет без периодических измерений, в отличие от геодезических методов, выявлять зоны повышенной геодинамической активности. Мониторинговые радономет-рические исследования дают возможность наблюдать трансформацию напряженно-деформированного состояния массива во времени. [2-5; 6-10].
Измерения объемной активности радона (Бк/м ) в почвенном воздухе выполнялись радиометром альфа-активных газов РГА-500 по профильным линиям из шпуров, глубиной 0,8 - 1,0 м.
При обработке результатов полевых измерений для определения геодинамической составляющей формирования поля радона выполняется нормирование значений объемной активности радона в почвенном возду-
хе. Для этого полученные в результате полевых измерений значения объемной активности радона группируются по принадлежности к однотипным участкам:
- по диффузионным свойствам покровных отложений;
- по вещественному составу горных пород;
- по положению уровня грунтовых вод;
- по влагонасыщенности почвы по площади и т.д.
Для каждой точки измерения в группе рассчитываются нормированные значения объемной активности радона
»■■ Г21-
¿-^ст.группы
где Ni - нормированная объемная активность радона точки измерения i, безразмерная величина; Qi - значение объемной активности радона в почвенном воздухе точки измерения на профильной линии, Бк/м ; Q -
г г т ? ? л^ст.группы
среднеарифметическое значение объемной активности радона в почвенном воздухе группы точек измерений, Бк/м3.
Нормирование позволяет определить геодинамическую составляющую формирования поля радона. Принцип интерпретации результатов ра-донометрии для геодинамического районирования - прямая зависимость формирования поля радона от распределения интенсивности современной геодинамической активности в массиве. На основе распределения нормированных значений объемной активности радона в почвенном воздухе изучаемой территории осуществляется её геодинамическое районирование. При этом Ni фактически является индексом геодинамической активности в точке измерения, что позволяет ранжировать изучаемый горный массив по степени современной геодинамической активности. [11]
Результаты
Площадь территории радонометрических исследований составила 38000 м . Измерения объемной активности радона в почвенном воздухе участка исследований были оперативно выполнены с использованием радиометра РГА-500 по 6 профильным линиям параллельно профилю III -III наблюдательной станции. Расстояние между точками измерения 10 м. Всего было сделано 119 измерений. По данным эманационной съемки, в целом по участку значения концентрации радона в почвенном воздухе изменяются от 1,6 до 24,1 кБк/м , что свидетельствует о значительной степени современной геодинамической активности. Картина поля радоновых эманаций отражает блочную структуру исследуемого горного массива, с четким выделением подвижных разрывных нарушений (рис. 1).
На основе распределения радоновых эманаций в почвенном воздухе в районе профильной линии III - III было выполнено предварительное районирование по степени проявления современной геодинамической активности.
\
ftp в
7
10 0 15 30 м
I—i-1-м I I I I I
0,0-0,5 норм О АР 0,5-1,0 норм ОАР 1,0-1,5
норм ОАР
1,5-2,0 норм О АР более 2,0 норм ОАР •Rp.7 репер Рис. 1. Геодинамическое районирование по данным радонометрии (Естюнинское железорудное месторождение)
Карта геодинамического районирования на основе распределения концентраций радона в почвенном воздухе участка земной поверхности профильной линии III - III и прилегающей территории подтверждает представления об особенностях формирования здесь процесса сдвижения, сложившихся на основе результатов многолетних геодезических наблюдений, о происходящих здесь геодинамических процессах. [12]. Как и предполагалось, на участке, расположенном непосредственно над отработанным пространством (между Rp.7 - Rp.6), наблюдается «провисание» массива пород, что определяет их сжатие и снижение возможности миграции за счет уменьшения раскрытия трещин и активной пористости. В то же время на флангах участка над выработанным пространством наблюдается формирование участков с аномалиями значениями эманаций в почвенном воздухе. Таким образом, по данным радонометрии, было зафиксировано геодинамическое состояние формирующейся мульды сдвижения.
Сопоставление результатов геодинамического районирования с использованием радонометрии и данных геодезического мониторинга показывает зависимость параметров поля радоновых эманаций от параметров и механизма современной геодинамической активности (рис. 2).
1 2
н
О а
50 100 15'."' 200 25'."'
Расстояние по профилю, м
Рис. 2. Распределение нормированных значений объемной активности радона в почвенном воздухе и суммы вертикальных смещений за период 1996 - 2010 гг. по профильной линии III - III, выраженных в долях от максимальных по профилю значений.
1 - распределение долей \АИ\; 2 - распределение долей Qh^m
В декабре 2016 г. на участке исследований одномоментно образовалась воронка обрушения (рис. 3). Сразу после обрушения воронка имела глубину порядка 30 м, диаметр около 60 м.
Рис. 3. Воронка обрушения по состоянию на июнь 2020 г в зоне сдвижения на участке исследований массива Естюнинского месторождения. Фотография выполнена В.М. Барышевым
Выводы
Использование радонометрии при исследовании участка горного массива Естюнинского месторождения позволила оперативно и с минимальными трудозатратами:
-выявить участки, охваченные деформационными процессами;
- выявить активные разрывные структуры на прилегающей к профильной линии III - III территории;
- дать качественную оценку геодинамической ситуации на исследуемом участке;
- выполнить геодинамическое районирование территории исследований;
- распространить результаты инструментальных мониторинговых геодезических измерений на профильной линии III - III на прилегающую к ней площадь и при этом увязать закономерности геодинамического процесса исследуемого массива с его структурно-геодинамическим строением.
Для обеспечения безопасности на территориях, попадающих в зоны повышенной геодинамической активности при проведении горных работ, необходима система контроля деформационного состояния массива горных пород с целью обеспечения своевременного предупреждения о приближении критических состояний. Использование радонометрии позволяет оперативно исследовать геодинамическую ситуацию горного массива.
Исследования выполнены в рамках Госзадания на 2019-2021 г. г. № 0405-2019-0007.
Список литературы
1. Зубков А. В., Липин Я. И., Барышев В. М. Геомеханическая и геодинамическая уникальность Естюнинского железорудного месторождения // Сб. науч. тр. междунар. конф. «Геомеханика в горном деле -2000» / ИГД УрО РАН. Екатеринбург, 2000. С. 25 - 30.
2. Testing of 222Rn application for recognizing tectonic events observed on water-tube tiltmeters in underground Geodynamic Laboratory of Space Research Centre at Ksi^z (the Sudetes, SW Poland) / T.A. Przylibski, M. Kaczor-owski, L. Fijalkowska-Lichwa, R. Zdunek, R. Wronowski // Applied Radiation and Isotopes, 2020.
3. Investigation of the relationship between rock strain and radon concentration in the tidal frequency-range Mentes // Journal of Applied Geophysics 2018. 155. Р. 232-236.
4. Application of spectral decomposition of 222Rn activity concentration signal series measured in Niedzwiedzia Cave to identification of mechanisms responsible for different time-period variations / T.A. Przylibski, A. Wylomanska, R. Zimroz, L. Fijalkowska-Lichwa // Applied Radiation and Isotopes. 2015.104. Р. 74-86.
5. Горбушина Л. В., Рябоштан С. Эманационный метод индикации геодинамических процессов при инженерно-геологических изысканиях // Советская геология. 1975. № 4. С. 48 - 50.
6. Резонансные особенности эсхаляции природного радона / В.В. Адушкин [и др.] // ДАН. 2005. Т. 400. № 3.
7. Закревский Б. А., Богак М. Ю. Некоторые аспекты применения эманационной съемки при исследованиях на подрабатываемых территориях // ГИАБ. 2007. № 1. С. 139-143.
8. Далатказин Т. Ш. Создание геодинамического полигона на территории г. Екатеринбурга // ГИАБ. 2008. № 1. C. 181 - 184.
9. Далатказин Т. Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной геодинамикой и тектоническими зонами // ГИАБ. 2007. № 2. С. 212 - 215.
10. Далатказин Т. Ш. Использование радонометрии при изучении современной геодинамики на территориях перекрытых мощным чехлом осадочных пород для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации объектов недропользования // ГИАБ. 2011. № 7. С. 249 - 253.
11. Далатказин Т.Ш., Зуев П.И. Исследования геодинамической ситуации прибортовых участков с использованием радонометрии при открытом способе разработки месторождений // ГИАБ. 2020. № 3-1. С.46 - 55.
12. Ручкин В.И. Мониторинг за геодинамической активностью и развитием процесса сдвижения горных пород на Естюнинском месторождении // ГИАБ. 2005. № 5. С. 67 - 70.
Далатказин Тимур Шавкатович, канд. техн. наук, зав. лабораторией, [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
THE USING RADONOMETRY IN RESEARCH THE GEODYNAMIC SITUATION OF THE ESTYUNINSKY DEPOSIT MASSIF
T.Sh. Dalatkazin
The paper presents the results of studying the geodynamic situation in the massif of the Yestyuninskoye deposit using radon emanation field observations to ensure safe operation of underground mining operations. The methods of field radon measurement, processing of the received data and the results of research allowing estimating the geodynamic situation and using the received information in forecasting the massif evolution are presented in the article. To verify the reliability of the results of the radon measurement, the parameters of the radon emanation field and vertical displacements for the period of the previous monitoring observations were compared. The research has shown the effectiveness of using radonometry in studying the geodynamic situation of the massif under processing.
Key words: radon, geodynamic diagnostics, massif, rupture disorder, displacement
process.
Dalatkazin Timur Shavkatovich, candidate of technical sciences, head of laboratory, 9043846175@mail. ru, Russia Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of RAS
Reference
1. Zubkov A.V., Lipin Ya. I., Baryshev V. M. Geomechanical and geodynamic uniqueness of the Estyuninsky iron ore Deposit // SB. nauch. Tr. mezhdunar.konf. Geome-chanics in mining - 2000: IGD Uro RAS. Yekaterinburg, 2000, Pp. 25-30.
2. Testing of 222Rn application for recognizing tectonic events observed on watertube tiltmeters in underground Geodynamic Laboratory of Space Research Centre at Ksi^z (the Sudetes, SW Poland). Przylibski, T.A., Kaczorowski, M., Fijalkowska-Lichwa, L., (...), Zdunek, R., Wronowski, R. Applied Radiation and Isotopes. 2020.
3. Investigation of the relationship between rock strain and radon con-centration in the tidal frequency-range Mentes, G. 2018 Journal of Applied Geophysics 155. Pp. 232-236.
4. Application of spectral decomposition of 222Rn activity concentration signal series measured in Niedzwiedzia Cave to identify of mechanisms responsible for different time-period variations. Przylibski, T. A., Wylomanska, A., Zimroz, R., Fijalkowska-Lichwa, L. 2015.Applied Radiation and Isotopes 104, p. 74-86
5. Gorbushina L. V., Ryaboshtan S. Emanation method of indication of geodynamic processes in engineering-geological surveys // Sovetskaya Geologiya. 1975. no. 4. Pp. 48-50.
6. Resonant features of natural radon eschalation / V. V. Adushkin [et al.] // DAN. 2005, Vol. 400, no. 3.
7. Zakrevskiy B. A., Bogak M. Yu. Some aspects of the use of emanation photography in research on moonlighting territories // GIAB. 2007. no. 1. Pp. 139-143.
8. Dalatkazin T. Sh. Creating a geodynamic polygon on the territory of Yekaterinburg // GIAB. 2008. no. 1. C. 181-184.
9. Dolotkazin T. sh. the Relationship between radon emission with time-geodynamics and tectonic zones, GORN. 2007. No. 2. P. 212 - 215.
10. Dolotkazin T. S. the Use of ergonometry in the study of modern geodynamics in the territories covered thick cover of sedimentary rocks to solve the problem of safe operation of objects of subsoil use, GORN. 2011. No. 7. P. 249 - 253.
11. Dolotkazin T. sh., Zuev P. I. of the Study of geodynamic situation cut off parts of the plots using ergonometry with the open method of field development, GORN. 2020. No. 31. P. 46 - 55
12. Ruchkin V. I. Monitoring of geodynamic activity and development of the process of rock movement in the Estyuninsky locality // GIAB. 2005. no. 5. Pp. 67-70.
