CC BY
100
УДК 622.271.332:550.835(470.21)
ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ КАРЬЕРА ГЕОРАДАРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ
А.И. Калашник1, С.В. Казачков2, В.А. Сохарев2, Д.В. Запорожец1, А.Ю. Дьяков1
'ФГБУН Горный институт КНЦ РАН 2ОАО «Ковдорский ГОК»
Аннотация
Для решения задачи обеспечения устойчивости горнотехнических конструкций, играющую важнейшую роль в вопросах эффективности и безопасности разработки месторождений полезных ископаемых, использованы георадарные технологии. Для целей исследования разработана специальная методика проведения полевых и камеральных работ. Это позволило получить новые знания о текущем состоянии и структуре горнотехнических конструкций одного из глубоких рудных карьеров Кольского полуострова. В работе приведены полученные радарограммы с интерпретацией и анализом полученных данных по локализации геологичеких структур и зон тектонических нарушений. Выявлены особенности состояния массива, заключающиеся в формировании субпараллельных общему контуру карьерной выемки зон мощностью до 4-5 м, 10-20 м и 20-60 м, обусловленные различными параметрами напряженно-деформированного состояния, сплошности (трещиноватости) и влагонасыщенности пород. Выявленные особенности развивают современные представления о состоянии массивов пород в окрестности карьерной выемки и предоставляют возможность для прогноза устойчивости как отдельных уступов, так и участков борта карьера, и обоснования параметров ведения горных работ, обеспечивающих их более высокую безопасность и эффективность.
Ключевые слова:
георадар, технологии, методика, горнотехнические конструкции, структура, состояние, дислокации, устойчивость, безопасность.
Горнотехнические конструкции, прежде всего с точки зрения конструктивных элементов систем разработки, являются важнейшим элементом в вопросах эффективности и безопасности разработки месторождений полезных ископаемых. Поэтому решение задачи обеспечения их устойчивости и выполнения функционального назначения (работоспособности) всегда являлось и является важным и актуальным [1, 2]. При этом существенную, если не определяющую, роль играет знание текущего состояния и структуры горнотехнических конструкций, которая получается на основе данных оперативной оценки и мониторинга их состояния специальными геомеханическими и геофизическими методами: визуальное обследование, акустические исследования, сейсмодеформационные определения, реометрия, метод разгрузки, контрольные скважины, теле- и видеосъемка скважин и др.
Вместе с тем, вышесказанные методы в большинстве своем являются малоинформативными и требующими значительных капитальных затрат. Специальные геологические скважины дают наиболее достоверную информацию, но бурение их весьма затратно, трудоемко и длительно, а для целей выявления и трассирования структурных ослаблений/дислокаций дает точечные результаты и требует сгущения сетки размещения. В этой связи применение неразрушающих, дающих сплошную (профильную) картину, методов исследования является предпочтительным и экономически значительно более выгодным.
Активное развитие георадиолокации и создание современных высокопроизводительных георадарных систем дает достаточные основания полагать, что неразрушающее подповерхностное георадиолокационное зондирование может эффективно использоваться для исследования состояния и структуры горнотехнических систем. В общем виде для целей горного дела георадары могут использоваться для определения структуры массива пород, обнаружения полостей, кварцевых гнезд, интрузий и т.п.; локализации природных и техногенных разрывных нарушений в законтурном массиве пород, геологической слоистости, неоднородности и пр. [3].
В Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук развивается инновационное направление георадиолокационных исследований с применением георадарного комплекса Ramac/GPR X3M (производства компании Mala GeoScience, Швеция), оснащенного экранированными антеннами 100, 500 и 800 МГц, что позволяет получать непрерывную информацию
об основных элементах строения участков массивов горных пород на глубину до 30 м с выделением (идентификацией) его аномалий (разрывные нарушения, полости, влагонасыщенные породы и т.п.), и георадарного комплекса «ЛОЗА-1Н» (производства ООО «ВНИИСМИ», Россия), оснащенного двумя антеннами: передающей и приемной, длиной по 15 м, с частотой 10 МГц, что позволяет производить зондирование горно-геологического массива на глубину до 200 и более метров [4].
Необходимо отметить, что подповерхностное зондирование природно-технических систем с использованием радиолокационных комплексов (в общепринятой терминологии - георадара) основано на использовании классических принципов радиолокации [3]. Антенной георадара излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная часть сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью георадара. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжений (ударный метод возбуждения).
Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе и преобразуется в цифровой код для обработки. В результате обработки полученная информация отображается в виде волнового или плотностного профиля - радарограммы.
Георадарные определения проводятся двумя основными способами: профилирование и зондирование [3]. При профилировании георадар перемещается по линии (трассе) и при каждом измерении передающая и приемная антенны находятся в одной точке линии. При зондировании выбирается одна точка и далее приводится ряд регистраций отраженных сигналов при разносе антенн передатчика и приемника в разные стороны на равные расстояния.
Для количественной интерпретации данных георадиолокации необходимо знать такую характеристику исследуемой среды как диэлектрическая проницаемость пород е [3]. Например, основные породообразующие минералы Ковдорского месторождения полезных ископаемых - апатит, нефелин и пироксенит. Согласно атласу физических свойств минералов и пород [5], относительная диэлектрическая проницаемость этих минералов равняется 6, 7.5 и 13, соответственно. Используя эти
данные для расчетов по формулам V = с/-[ё и Н = с • I / 2 • -\[е [3], где с - скорость света в вакууме, получены зависимости скорости прохождения электромагнитной волны V от диэлектрической проницаемости апатита, нефелина и пироксенита (рис. 1а), а также зависимость глубины зондирования Н от времени двойного пробега ^ электромагнитной волны для этих пород (рис. 1б).
Рис. 1. Зависимости скорости прохождения электромагнитной волны от диэлектрической проницаемости пород (а) и глубины зондирования от времени двойного пробега волны (б)
Экспериментальные георадарные исследования законтурного массива пород карьера «Железный» Ковдорского ГОКа были выполнены с применением специальных технологий на участке возле здания РДКК (горизонты +40, +94, +140, +165, +220 м) и на участке ЦПТ (горизонты +190 и +200 м). Всего было выполнено 78 георадарных профилей общей протяженностью около
11 км, в том числе 67 радарограмм (исследованы участки общей протяженностью 7 км) - для задач приповерхностного зондирования (на глубину до 40 м), и 11 радарограмм (исследованы участки общей протяженностью 4 км) - для задач глубинного зондирования (на глубину до 200 м ).
Для оценки законтурной структуры горнотехнических конструкций авторами разработаны методики проведения полевых георадарных исследований, камеральной обработки, анализа и выявления подповерхностных (законтурных) структурных дислокаций (наклонные, субвертикальные, линзовидные) в скальных горнотехнических конструкциях, заключающиеся в применении специальных детерминированных операций и процедур измерений и обработки, что позволяет повысить оперативность определения местоположения и трассирования дислокаций при существенном снижении затрат в сравнении с традиционными методами.
Алгоритм выполнения работ заключался в следующем (рис. 2):
1. Выполняется предварительное зондирование исследуемого участка с визуальным анализом получаемой волновой картины.
2. При выявлении аномалий в волновой картине идентифицируется вид (тип) дислокации с отнесением к одной из трех групп: наклонные, субвертикальные, линзовидные.
3. Выполняется корректировка управляющих параметров (интервал зондирования, время двойного пробега электромагнитной волны и др.), в наибольшей степени соответствующих идентифицированному типу дислокации.
4. Составляется план-схема профилирования с учетом возможности трассирования дислокации.
5. Выполняется георадарное профилирование.
6. В камеральных условиях, в дополнение к стандартным, примененяются специализированные процедуры обработки (деконволюция, преобразование Фурье, преобразование Гильберта) и последующий анализ преобразованных сигналов (сжатые импульсы, амплитудно-частотные характеристики, мгновенные амплитуды).
7. Для каждого вида дислокаций (вертикальные, наклонные, локализованные) создаются соответствующие скоростные модели.
8. Выполняется построение радарограмм с картированием выявленных дислокаций.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ГЕОРАДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ
Классификация дислокаций
Деконв олюция
А Н А Л ИЗ П Р
Сжатые импульсы
СО З Д А Н И
Преобразование Фурье
О В А Н Н Ы Х
Амплитудно-частотные
характеристики
СКОР
Пространственная
КАР ТИРОВАНИ Е
О С Т Н Ы Х
Линейная
Преобразован! 1е Гильберта
Х СИГ НАЛОВ
Мгновенные амплитуды
М О Д Е Л Е Й
Локальная
ДИСЛОКАЦИИ
Рис. 2. Блок схема алгоритма выявления структурных дислокаций в скальных горнотехнических конструкциях
На основе вышеизложенного алгоритма проведены георадарные исследования уступов на участке ЦПТ, построены соответствующие радарограммы, выполнены анализ и интерпретация волновой картины с точки зрения выделения геологических структур и дислокаций. На рис.3 представлена одна из радарограмм, отражающая характерную волновую картину для данного участка. Из рисунка видно, что приповерхностная зона профиля, мощностью до 4-х метров, характеризуется равномерной волновой картиной и соответствует раздробленным/разрушенным, но уплотненным породам. Далее до глубины примерно 20 м выделяется слой, породы в пределах которого имеют другие электрофизические свойства, что может быть обусловлено их разуплотнением вследствие разгрузки от действия первоначальных гравитационно-тектонических напряжений. Ниже 20 м идентифицируются породы с несколько иным напряженно-деформированным состоянием.
На радарограмме также выделяются геологические структуры/зоны и дислокации. В начале профиля на глубине около 8 м прослеживается трещина с углом падения 22° до глубины примерно 17 м. На интервале 250-270 м профиля выделяются две пересекающиеся на глубине 11 м трещины такого же характера.
200
250
300
-30—і
-40-
т йкЬ ■ Ш&тж „■Л- с * ■.
Рис. 3. Фрагмент профиля 1470 горизонт +190 м, участок ЦПТ
На профиле выделяются две структуры (пересекающаяся штриховка), схожие по своим электрофизическим свойствам, которые могут быть приурочены к зонам структурного нарушения. Первая - на интервале 225-255 м, на глубине 13 м, мощностью 2 м, расположенная субгоризонтально в плоскости профиля, и вторая - на интервале 240-265 м, на глубине 31 м, мощностью 3 м, разорванная двумя разломами в левой, и одним разломом в правой ее части, со сдвигом центральной части структуры вниз.
На рисунке 4 приведен фрагмент георадарного профиля по результатам исследований на уступе гор.+40м участка РДКК рудника.
Рис. 4. Фрагмент профиля 1344 горизонт +40 м, участок РДКК
Как видно из рисунка, приповерхностная зона профиля мощностью до 4 м (раздробленный слой пород), характеризуется равномерной волновой картиной с небольшим количеством наклонных трещин. Следующий слой мощностью около 15 м соответствует разуплотненным породам, и далее, с глубины примерно 20 м, породы менее разуплотнены.
На интервале 230-250 м профиля отмечается наличие трех субвертикальных трещин с изменением формы сигнала электромагнитной волны, где предположительно, по косвенным признакам, проходит тектонический разлом.
На профиле также выделяются две геологические структуры: первая на интервале 200-230 м с глубины 15 м и мощностью 7-10 м, выходящая под углом 15° практически на поверхность и вторая субвертикальная структура на интервале от 284 до 291 м с глубины от 9 м до 33 м. При этом вторая структура разделяет в вертикальной плоскости исследованный массив пород на две зоны с различными электрофизическими свойствами. В конце профиля на интервале 285-300 м контрастно выделяется зона, располагаемая на глубине от 3 до 7 м, мощностью 3 м, которая может быть приурочена к структурному нарушению.
Глубинное зондирование выполнялось с использованием георадарного комплекса «ЛОЗА-1Н», с заданной глубиной профилирования около 200 м. На рисунке 5 приведены радарограммы глубинного зондирования с расположением по уступам борта карьера.
Анализ и интерпретация радарограмм позволяют сделать следующие выводы. Полученные волновые картины характеризуются своей неоднородностью по глубине зондирования, но вместе с тем имеют идентичный характер на всех трех уступах, который может быть рассмотрен на примере одного из профилей.
На рисунке 5 видно, что по глубине георадарного профиля четко выделяются три слоя различной мощности: 4-5, 5-10, 20-60 и далее основной массив. Приповерхностный слой составляет примерно 4-5 м глубины профиля и представляет собой раздробленные/разрушенные породы. Далее следует слой мощностью от 5 до 10 м, в пределах которого породы, по-видимому, разуплотнены, и имеют более раскрытую, в сравнении с основным массивом, трещиноватость. Нижняя граница этого
250
250
225
+214
Рис. 5. Радарограммы глубинного профилирования по уступам борта карьера
слоя достаточно хорошо коррелирует с уровнем подземных/грунтовых вод, определенном по гидрогеологическим скважинам. Следует также отметить, что граница между этим и следующим слоем изменяется в диапазоне 10-15 м глубины профиля.
Следующий (третий сверху) слой, мощностью от 20 до 60 м на различных участках, имеет более сложную градиентную картину, обусловленную, по-видимому, наличием достаточно большого числа геологических структур, неоднородностью напряженно-деформированного состояния пород, а также наличием в этой зоне подземных вод, имеющих в свою очередь градиент порового давления. Нижняя граница достаточно контрастна, изменчива и прослеживается на данном профиле на глубинах от 60 до 90 м. Далее следует, по всей видимости, основной массив горных пород, в котором волновая картина также имеет градиентные изменения, обусловленные литологическими разностями слагающих массив пород, естественными зонами разуплотнения и другими факторами.
Таким образом, георадарными исследованиями выявлены особенности структуры и состояния массива пород для исследуемых горнотехнических конструкций карьера, имеющие подтверждения данными геологического бурения. Эти особенности могут быть учтены при оценке устойчивости как уступов на локальных участках, так и борта карьера в целом. В частности, для целей обоснования параметров новых уступов на горизонте 40 м участка РДКК карьера Железный Ковдорского ГОКа рекомендуется принимать во внимание в первую очередь следующие особенности структуры массива пород:
■ зональность волновых характеристик массива пород на глубинах до 4 м, до 20 м и до 40-60 м (может быть обусловлена неравномерным напряженным состоянием пород, неоднородностью пород, распределением внутрипородных (подземных) вод);
■ градиентность волновой картины на глубинах свыше 40 и до 200 м (принятая глубина георадарных определений), отражающая изменчивость состояния и структуры массива пород;
■ наличие субвертикальных и наклонных структур, прослеживаемых практически на всех уступах участка РДКК.
Корреляция результатов приповерхностного и глубинного георадарного зондирования для выделяемых в массиве пород крупных дислокаций очевидна, но каждый метод в отдельности позволяет выявить те или иные особенности в структуре массива пород. Поэтому методы приповерхностного зондирования предпочтительно применять при исследовании структуры массива пород до глубин 20-30 м и решения соответствующих горнотехнических задач (устойчивость приконтурных пород, обоснование параметров буровзрывных работ, и др.), а методы глубинного зондирования - при исследовании структуры массива пород до глубин 150-200 м и решения соответствующих горнотехнических задач (устойчивость уступов и борта карьера в целом, дифференцированное и детализированное дополнение данных скважинного бурения, задачи гидрогеологии и др.). Вместе с тем как приповерхностное, так и глубинное зондирования достаточно информативны при выявлении зон с различными разностями пород, напряженно-деформированного и водонасыщенного состояния.
Для целей решения задач устойчивости уступов и борта карьера, обосновании параметров буровзрывных работ, задач гидрогеологии и др. целесообразно проведение режимных георадарных исследований в целях выявления сезонного воздействия на состояние массива горных пород, а также тенденций (динамики) изменения состояния и структуры массива вследствие техногенного воздействия (массовые взрывы, подвигание фронта работ, изменении контура борта и т.п.).
Выводы
1. Применение георадарных технологий на уступах горнорудных карьеров позволяет уверенно выявлять и оценивать параметры подповерхностных аномальных структурных зон, включая зоны повышенной трещиноватости пород, а также скрытые тектонические нарушения, дайки, штоки, интрузии и другие геологические структуры, что дает основания для оценки состояния горнотехнических конструкций. Для условий рассматриваемого карьера георадарными определениями локализованы как субвертикальные, так и наклонные тектонические нарушения массива пород с выделением приповерхностной сильнотрещиноватой и раздробленной зоны.
2. Выявленные дислокации в законтурном массиве пород требуют применения специальных технологий при постановке уступов и бортов в конечное положение. В первую очередь это касается принятия решения по генеральному углу наклона борта карьера, конструктивным параметрам уступов, способам и средствам применения методов укрепления откосов, а также применению специальной технологии буровзрывных работ.
3. Разработана методика выявления подповерхностных (законтурных) структурных аномалий в скальных горнотехнических конструкциях, заключающаяся в идентификации аномалий (наклонные, субвертикальные, линзовидные) на основе георадарного зондирования и применении специализированных операций и процедур измерений и обработки, что позволяет повысить оперативность и точность определения дислокаций при существенном снижении затрат в сравнении с традиционными методами. Методика георадарных определений может быть применена на карьерах, отрабатывающих как рудные, так и нерудные месторождения полезных ископаемых.
4. На основе комплексного анализа всех результатов подповерхностного средне (до 40 м) и глубинного (до 200 м) электромагнитного зондирования массива горных пород на участках РДКК и ЦПТ рудника «Железный» Ковдорского ГОКа выявлены особенности состояния массива, заключающиеся в формировании субпараллельных общему контуру карьерной выемки зон мощностью до 4-5 м, 10-20 м и 20-60 м, обусловленных различными параметрами напряженно-деформированного состояния, сплошности (трещиноватости) и влагонасыщенности пород. Выявленные особенности развивают современные представления о состоянии массивов пород в окрестности карьерной выемки и предоставляют возможность для прогноза устойчивости как отдельных уступов, так и участков борта карьера, и обоснования параметров ведения горных работ, обеспечивающих их более высокую безопасность и эффективность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козырев А.А.и др. Обоснование конструкций устойчивых бортов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных пород / А.А. Козырев, В.В. Рыбин, А.Л. Билин и др. // Горный журнал. 2010. № 9. С. 24-27. 2. Калашник Н.А. и др. Определение пролетов очистных выработок и размеров целиков / Н.А. Калашник, И.И. Бессонов, А.И. Калашник. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. 85 с. 3. Вопросы подповерхностной радиолокации / А.В. Андриянов, Л.Ю. Астанин, Д.В. Багно и др. Петрозаводск: Изд. «Радиотехника», 2005. 416 с. 4. Калашник А.И. Подповерхностное георадарное зондирование горно-геологических сред Кольского полуострова / А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин // Вестник МГТУ: тр. Мурман. гос. тех. университета, 2009. Т. 12, № 4. С. 576--583. 5. Атлас физических свойств минералов и пород Хибинских месторождений / И.А. Турчанинов, М.П. Воларович, А.Т. Бондаренко и др. Л.: Наука, 1975. 71 с.
Сведения об авторах
Калашник Анатолий Ильич - к.т.н., зав. лабораторией; e-mail: kalashnik@goi.kolasc.net.ru Казачков Сергей Васильевич - главный горняк Ковдорского ГОКа Сохарев Виктор Александрович - главный геолог Ковдорского ГОКа
Запорожец Дмитрий Владимирович - ведущий инженер; e-mail: zaporojec@goi.kolasc.net.ru Дьяков Андрей Юрьевич - младший научный сотрудник; e-mail: dyakov@goi.kolasc.net.ru
