CC BY
2
УДК 550.8.05
ИЗУЧЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
В.В. Мельник, Т.Ш. Далатказин, А.Л. Замятин
Представлены результаты исследований геомеханического состояния приза-бойной части массива горных пород в подземной выработке с использованием метода спектрального сейсмопрофилирования. Необходимость выполнения исследований вызвана резким увеличением водопритоков из призабойного массива, что привело к остановке проходки. При выполнении исследований геомеханического состояния призабой-ной части массива, определяющего фильтрационные параметры, был использован метод спектрального сейсмопрофилирования. На основе полученной информации были разработаны рекомендации для обеспечения безопасности при дальнейшей проходке выработки.
Ключевые слова: массив горных пород, трещиноватость, спектральное сей-смопрофилирование, георадарное зондирование, водопритоки.
В процессе ведения горно - проходческих работ в подземных горных выработок возникает необходимость получения информации о геомеханическом состоянии вмещающего породного массива, определяющего его фильтрационные параметры.
В настоящее время изучение геомеханического состояния массива горных пород эффективно реализуется с применением геофизических методов исследований. В подземных горных выработках использование геофизических исследований имеет ряд специфических особенностей (ограниченность пространства, обводнённость, отсутствие почвенных отложений и т.п.) [1; 2].
Отделом геомеханики Института горного дела УрО РАН для изучения геомеханического состояния призабойного массива в угольной шахте, определяющего условия миграции подземных вод, выполнены геофизические исследования методом спектрального сейсмопрофилирования. Здесь, при ведении проходческих работ с применением БВР произошло резкое увеличение притока воды из шпура с дебитом 35 м3/час. Работы были остановлены до получения информации о местоположении дизъюнктивных нарушений в массиве горных пород за забоем, необходимой для оценки возможных водопроявлений и определения мер обеспечения безопасности.
Призабойный массив представлен (сверху вниз) следующими породами:
- сланец песчано-глинистый темно-серый, слоистый, равномерно трещиноватый;
- сланец глинистый, присутствует фрагментарно с обилием углистого материала, черный, слоистый, механически слабый, неустойчивый, мощность 0,07 м;
- угольный пласт - представлен углём антрацитом мощностью около 1,5 м;
- основание пласта представлено тёмно-серым сланцем песчаным, мощностью 0,1 - 0,2 м, неслоистым, комковатой текстуры. Мощность вскрытой части слоя 0,5 - 1,0 м.
Наиболее крупным выявленным тектоническим нарушением в пределах вмещающего массива горных пород является сброс с амплитудой 2-3 м, ограничивающим шахтное поле с восточной стороны. Также отмечается наличие внутрипластовых и малоамплитудных нарушений, с амплитудами смещения до 2...3 м, субмеридионального направления.
Непосредственно на участке исследований наблюдаются две системы трещиноватости пород кровли пласта:
- 1 система трещин субпараллельна длинной оси штрека. Азимут падения пород 320°, угол падения пород 70 - 80°, частота трещин через 0,5.0,7 м;
- 2 система трещин характеризуется азимутом падения пород 250°, угол падения пород 80. 90°, частота трещин через 0,7. 1,0 м.
Гидрогеологические условия отработки в районе расположения шахты благоприятные. Подземные воды, здесь, приурочены к четвертичным и каменноугольным отложениям.
Подземные воды четвертичных отложений в качестве источника обводнения глубокорасположенных горных выработок не являются.
Водовмещающие породы каменноугольных отложений представлены песчаниками, известняками и песчаными сланцами. В этих породах подземные воды аккумулируются и циркулируют по порам и трещинам, а в известняках - в карстовых полостях.
Каменноугольные водовмещающие породы переслаиваются с водоупорными глинистыми сланцами. Вследствие этого подземные воды каменноугольных отложений относятся к типу трещинно-пластовых напорных вод.
В верхней части каменноугольных отложений до глубины 30 - 50 м, в области питания подземные воды относятся к типу напорно-безнапорных, здесь уровни подземных вод часто совпадают с глубиной залегания напорного пласта. С глубиной величина напора возрастает.
Методы исследования
Основным поисковым признаком участков с повышенными фильтрационными характеристиками массива, вмещающего угольный пласт, являются дизъюнктивные нарушения. Для их поиска в массиве горных пород в условиях подземной горной выработки наиболее оптимальным является геофизический метод спектрального сейсмопрофилирования. [3; 4].
Метод спектрального сейсмопрофилирования
Для определения структурно-тектонического строения массива горных пород и выявления наиболее обводненных зон на площадке изысканий проводятся исследования методом спектрального сейсмопрофилирования (ССП).
Метод спектрального сейсмопрофилирования основан на использовании зависимости между спектральным составом собственного колебательного процесса, возникающего при ударном воздействии на поверхность породного обнажения и структурным строением зондируемого массива пород. Собственные упругие колебания, наблюдаемые при ударном воздействии на дневную поверхность, возникают из-за наличия в массиве колебательных систем, в качестве которых работают залегающие там геологические структуры.
Структурные неоднородности массива, выявляемые методом ССП, представляют собой поверхности, по которым спайность или сцепление отсутствуют. То есть, по этим контактам происходит проскальзывание смежных структурных блоков при возбуждении в них собственных упругих колебаний, вследствие чего можно выявлять подвижные структуры даже в тех случаях, когда они разделены сомкнутыми трещинами. Сомкнутая трещина для метода ССП является границей, тогда как при использовании традиционных методов сейсморазведки она границей не является и, таким образом, выявлена не будет. Основными объектами, выявляемыми методом ССП, являются именно сомкнутые трещины и их совокупности, то есть зоны микротрещиноватости.
Аппаратурно-методический комплекс ССП позволяет выявлять зоны тектонических нарушений (ЗТН), а также зоны повышенной трещино-ватости.
Поскольку, в общем случае, осадочный массив является многослойным, то реакция на удар будет содержать несколько гармонических составляющих. Зависимость их частот от строения такого массива имеет следующий вид:
Ь = ^ , (1)
-/ О г
где Vsh - скорость поперечного (сдвигового) упругого процесса. На основании акустических исследований с применением специально разработанных и запатентованных способов установлено, что величина Vsh в горных породах (и грунтах) не более чем на 10 % отличается от 2500 м/с.
Границы, выявляемые с помощью спектрально-акустических (спек-трально-сейсморазведочных) методов, представляют собой поверхности, по которым возможно взаимное проскальзывание соседних сред. Это весьма существенное отличие. Так, сомкнутая трещина для спектральной акустики является границей, тогда как при использовании традиционных методов она границей не является и, поэтому выявлена не будет. Основ-
ными объектами, выявляемыми методом ССП, являются как открытые, так и сомкнутые трещины, и их совокупности, то есть зоны трещиноватости. Описание элементов залегания зон трещиноватости и их графическое изображение на геофизических разрезах, получаемое путем компьютерной обработки, является результатом исследований методом ССП [5-8].
В ИГД УрО РАН был улучшен и модернизирован алгоритм для отображения геофизических разрезов (спектров сейсмосигналов) исследуемого породного массива методом ССП, основанный на использовании показателя добротности (рис. 3). Алгоритм представляет из себя применение полосового фильтра Чебышева на различных глубинах исследования массива горных пород. Фильтрация данных может осуществляться, как по всей глубине исследуемого разреза, так и на участках имеющих повышенный интерес с точки зрения выявления трещин и зон тектонических нарушений. Визуализация данных производится в двух программах Grapher и Surfer.
Результаты геофизических исследований
Исследования методами спектрального сейсмопрофилирования проводились в забой штрека по трем совпадающим профильным линиям -профиль № 1 (выше угольного пласта), профиль №2 (по угольному пласту) и профиль № 3 (под угольным пластом). Схема расположения профильных линий приведена на рис. 1.
♦
мШ; ф
Рис. 1. Схема расположения профильных линий в забое
выработки
В результате исследований получены разрезы на расстоянии 80 м от забоя, дающие представления о параметрах трещиноватости, выявленной в призабойной части массива.
На рис. 2 представлен геофизический разрез по результатам исследований методом спектрального сейсмопрофилирования, построение раз-
реза выполнено в программе ОгарИег. На разрезе четко выделяется участок повышенной трещиноватости в интервале 20... 40 метров.
Рис. 2. Спектральный сейсморазрез по профилю 2 (80 м)
На рис. 3 представлен этот же разрез на расстоянии от забоя 80 м по профилю №2, но отображение результатов измерений выполнено уже с использованием программы Surfer. Шкала на рис.3 определяет показатель добротности массива, который напрямую связан с трещиноватостью.
Дальнейшая проходка горной выработки подтвердила положение участков повышенной трещиноватости в изучаемом породном массиве, определенных с помощью метода спектрального сейсмопрофилирования.
Рис. 3. Спектральный сейсморазрез по профилю 2 (80 м)
Выводы
Гидрогеологическая и геомеханическая ситуация на шахте определяет потенциальную опасность в обеспечении эффективности и безопасности её функционирования.
Информация о местоположении участков повышенной трещинова-тости, полученная в результате выполнения геофизических исследований методом спектрального сейсмопрофилирования, позволил своевременно подготовить и выполнить мероприятия по водоотведению для обеспечения безопасности при ведении подземных горных работ.
В существующих горно-геологических условиях шахты рекомендуется обеспечивать защиту горных выработок от повышенных водоприто-ков с применением системы водонепроницаемых перемычек [9, 10].
Работа выполнена в рамках Госзадания № 075-00412-22. Тема № 3.
Список литературы
1. Мельник В.В. Замятин А.Л. Исследование и создание геолого-структурной и геомеханической модели участка недропользования // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 4. С. 226-230.
2. Далатказин Т.Ш., Харисов Т.Ф. Исследование последствий затопления подземного рудника на селитебной территории// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 2. С.38 -51.
3. Гликман А.Г.. Физика и практика спектральной сейсморазведки, available at: http: //www.newgeophys.spb.ru, 2018.
4. Геомеханические аспекты недропользования / А. Д. Сашурин [и др.]. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2022. 256 с. ISBN 978-57691-2556-0. DOI 10.25635/j5035-6134-1492-n. EDN QGEIOJ.
5. Мельник В.В. Применение метода спектрального сейсмопрофи-лирования для оценки геомеханического состояния массива горных пород вокруг шахтных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 10. С.69-74
6. Мельник В.В., Замятин А.Л. Исследование структурных особенностей массива горных пород подземных сооружений // Известия вузов. Горный журнал. 2008. №8. С. 165 - 171.
7. Мельник В.В. Применение метода спектрального сейсмопрофи-лирования для оценки геомеханического состояния массива горных пород вокруг шахтных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. №10. С.69-74
8. Гликман А.Г. Применение спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) для поисков месторождений полезных ископаемых // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2001. №3. С. 35 - 35.
9. Казикаев Д. М., Савич Г. В. Практический курс геомеханики подземной и комбинированной разработки руд : учеб. пособие. М.: Издательство «Горная книга», 2012. 224 с.
10. Методика расчета клиновой водонепроницаемой перемычки с распашными створками ворот для движения самоходной техники / М. В. Рыльникова, В. В. Олизаренко, Ар. А. Зубков, А. П. Михальчук // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. СВ № 15: Условия устойчивого функционирования минерально-сырьевого комплекса России. С. 70-85.
Мельник Виталий Вячеславович, канд. техн. наук, зав. отд. melnikvv 74@,mail. ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Далатказин Тимур Шавкатович, канд. техн. наук, зав. лаб., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Замятин Алексей Леонидович, научн. сотр., a.zamyatinamail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
STUDY OF THE GEOMECHANICAL STA TE OF THE ENCLOSING ROCK MASSIF IN UNDERGROUND WORKINGS USING GEOPHYSICAL METHODS
V. V. Melnik, T.Sh. Dalatkazin, A.L. Zamyatin
The results of studies of the geomechanical state of the bottom-hole part of a rock
mass in an underground mine using the method of spectral seismic profiling are presented.
The need to carry out research was caused by a sharp increase in water inflows from the bot-tomhole massif, which led to a stop in mining. When carrying out studies of the geomechani-cal state of the bottom-hole part of the massif, which determines filtration parameters the method of spectral seismic, profiling was used. Based on the information received, recommendations were developed to ensure safety during further excavation.
Key words: rock massif, fracturing, groundwater migration, water flows, georadar, spectral seismic profiling.
Melnik Vitaly Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, head of department, melnikvv 74@,mail.ru, Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Dalatkazin Timur Shavkatovich, candidate of technical sciences, head of the lab., [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Zamyatin Alexey Leonidovich, scientific officer, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Melnik V.V. Zamyatin A.L. Research and creation of a geological-structural and geomechanical model of a subsoil use site // Mining information and analytical bulletin. 2005. No. 4. pp. 226-230.
2. Dalatkazin T.Sh., Kharisov T.F. Investigation of the consequences of the heating of an underground mine in a residential area// Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue. 2. pp.38-51.
3. Glikman A.G. Physics and practice of spectral seismic exploration, available at: http: //www.newgeophys.spb.ru , 2018.
4. Geomechanical aspects of subsurface use / A. D. Sashurin [et al.]. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2022. 256 p. ISBN 978-5-7691-2556-0. DOI 10.25635/j5035-6134-1492-n. EDN QGEIOJ.
5. Melnik V.V. Application of the spectral seismic profiling method to assess the geomechanical state of the rock mass around mine workings // Mining information and Analytical Bulletin. 2005. No. 10. pp.69-74
6. Melnik V.V., Zamyatin A.L. Investigation of structural features of an array of rocks of underground structures // News of universities. Mining magazine. 2008. No. 8. pp. 165 - 171.
7. Melnik V.V. Application of the spectral seismic profiling method to assess the ge-omechanical state of the rock mass around mine workings // Mining information and Analytical Bulletin. 2005. No. 10. pp.69-74
8. Glikman A.G. Application of spectral-seismic profiling (SSP) for prospecting of mineral deposits // Geology, geophysics and development of oil and gas fields. 2001. No. 3. pp. 35-35.
9. Kazikaev D. M., Savich G. V. Practical course of geomechanics of underground and combined ore mining : textbook. stipend. Moscow: Gornaya Kniga Publishing House, 2012. 224 p.
10. The method of calculating a wedge waterproof jumper with swing gates for the movement of self-propelled vehicles / M. V. Rylnikova, V. V. Olizarenko, A. A. Zubkov, A. P. Mikhalchuk // Mining information and analytical bulletin. 2015. SV No. 15: Conditions for the sustainable functioning of the mineral resource complex of Russia. pp. 70-85.
