CC BY
35
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -|
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
I '......
і:О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова,
:::: 2000
УДК 538:539.219.2:622.831
у О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова || КАРТИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЗОН У НАРУШЕННОСТИ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД,
И РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ВЕЩЕСТВЕННОМУ
.....СОС I ^\ВУ, ' ЭЛЕК I Р^Л*І^\І НИІНDil VI IVIЕІ ОДОIVI.
О
дной из актуальных проблем горной геофизики является изучение и определение напряженного состояния массива скальных пород, необходимого при прогнозировании землетрясений, горных ударов, оползней, а также при решении прикладных задач, связанных со строительством наземных и подземных сооружений различного назначения, обеспечения устойчивости конструктивных параметров горных выработок [1,2]. В свою очередь напряженное состояние массива зависит от начального поля напряжений, и его структуры: однородности, либо наличия включений, связанных либо с геологической сложностью, либо с физико-механическими свойствами: трещиноватостью, пористостью, влагонасыщенностью. Поэтому задача сводится к поиску и идентификации зон - включений в однородном изотропном по физическим свойствам массиве, а состояние массива оценивается по типу включений: контакт на границах пород различного состава, либо трещиноватая среда с различной степенью влагонасыщен-ности.
Опыт геофизических работ в подземных условиях с использованием различных физических полей с целью картирования зон нарушенности скального массива и изучения связи их динамических проявлений в удельных физических параметрах массива, свидетельствует о наибольшей эффективности и технологичности использования бесконтактных
электромагнитных методов исследования. Такой аппаратурнометодический комплекс для изучения строения сложнопостроенных трехмерных горных массивов в настоящее время в Институте геофизики УрО РАН создан [3,4] и активно используется для изучения строения и состояния горных массивов.
Создание оптимальной трехмерной методики исследования непосредственно зависит от имеющейся для нее теоретической интерпретационной базы, которая фактически и формулирует требования к системе наблюдений, к используемому типу и геометрии источника возбуждения соответствующего геофизического поля и таким образом определяет методику исследования. В [4] рассмотрено использование концепции трехэтапного подхода к интерпретации переменных электромагнитных полей при локальном контролируемом их возбуждении, адаптированной для подземных условий.
Прогноз устойчивости или неста-ционарности горного массива зависит от точности интерпретации геофизических данных в силу того, что любые геофизические исследования носят косвенный характер. Под интерпретацией данных электромагнитных исследований будем понимать восстановление объемного распределения электропроводности в околовырабо-точном горизонтально-слоистом полупространстве с локальными включениями с проводимостью отличной от проводимости вмещающей среды
по наблюдениям модуля составляющих электромагнитного поля как функции частоты и расстояния от приемника до источника возбуждения в пределах горной выработки.
Интерпретационный процесс состоит из следующих этапов[4]:
1) определение геоэлектриче-ских параметров горизонтальнослоистого вмещающего пространства; 2) аппроксимация составляющих электромагнитного поля полем набора эквивалентных трехмерных токовых линий, определение их пространственного положения и суммарных эквивалентных моментов; 3) определение физических и геометрических параметров аномальных объектов, эквивалентных подобранному набору сингулярных источников.
Для реализации первого этапа используется следующий способ: при возбуждении индукционного переменного электромагнитного поля источником в виде вертикального магнитного диполя разработана специальная объемная система наблюдений [5] трех компонент магнитного поля, позволяющая производить фильтрацию данных, удовлетворяющих на физическом уровне одномерной модели среды при заданном пороговом уровне влияния боковых неоднородностей. В качестве входных данных могут быть использованы модули составляющих электромагнитного поля при ограниченном наборе частот как функции разносов, при этом источник возбуждения должен перемещаться по участку наблюдений. Параметры нормального разреза определяются с помощью автоматизированного алгоритма аппроксимации соответствующим решением прямой одномерной задачи для F(r, |Нг|/|Нг|) при фиксированной частоте. Для случая, когда источник -вертикальный магнитный диполь и приемник расположены в j-ом слое п-слойного полупространства получены выражения для горизонтальной Нг и вертикальной Нг составляющих магнитного поля и создан программно-реализованный алгоритм для РС 486 [5], осуществляющий подбор параметров разреза в автоматическом режиме.
Для реализации второго этапа создан итерационный алгоритм аппроксимации отношения среднего значения d: отношения модулей двух горизонтальных компонент магнитного поля, выраженного в %, с учетом взаимного бокового влияния и влия-
ния «верх - низ», при этом минимиза-ционный функционал имеет вид[4]:
1
Q—
1
N'
м,
м N
-Е
8і -8Т УУ) »И
N N т=1
где N - количество учитываемых взаимодействий в профильных данных объемной системы наблюдений, 5 т - средний параметр геоэлек-
трической неоднородности в точке наблюдения номера т, определенный по измеренным значениям модуля горизонтальных составляющих магнит-
ного поля,
8 І
аппроксимационная
конструкция или теоретический средний параметр геоэлектрической неоднородности в той же точке наблю-
дения номера т,
8
ІТ
1
К
—8ІТ
- Г- mk
Kk—1
где К - число перемещений источника возбуждения в пределах участка наблюдений,
8 І Т —
mk
Ма
Я,
фт
Я&
п pmk темати
•100%
ически эта конструкция реализована также в виде программно реализованного алгоритма для ЮМ РепИит -200. Таким образом на втором этапе осуществляется локализация в межвыработочном горизонтально-слоистом проводящем пространстве так называемых сингулярных особенностей, эквивалентных локальным геоэлектрическим неоднородностям с аномальной электропроводностью, которые соответствуют геологическим зонам нарушенности и могут влиять, например, на степень устой-
чивости кровли камеры, в которой будет производиться отработка.
Для восстановления поверхности таких локальных включений служит третий этап интерпретации. Для его реализации получены уравнения теоретической обратной задачи, а также уравнения для нахождения эквивалентных распределений электропроводности или магнитной проницаемости включе-геометрии [3]. ний при заданной их Описанный интерпретационный комплекс лег в основу созданной новой методики исследования трехмернонеоднородных горных массивов [5], которая является составной частью разрабатываемой комплексной геофизической и геомеханической системы мониторинга напряженного состояния неоднородных зон горных массивов [6]. Есть опыт ее использования в подземных условиях при работе в шахте «Магнезитовая» (Сатка) [7,8] и в шахте Узельгинского рудника (Учалы) для изучения строения межвыра-боточного пространства, оценки степени однородности горного блока и мониторинга положения неоднородностей в массиве, находящемся под техногенным влиянием. Представляет интерес сопоставить и проанализировать информативность методики при использовании ее для изучения массивов горных пород, различающихся по типу и вещественному составу.
Магнезитовое оруденение Сат-кинского месторождения приурочено к исключительно сложным среднезернистым доломитам и проявлено в виде пластообразных и линзообразных тел, залегающих в целом согласно с ними. Породы и рудные тела имеют моноклинальное залегание. Протяженность последних колеблется от 140 м до 3.6 км. Длина их по падению достигает 500 м, мощность изменяется от 8 до 50 м. Контакты магнезитовых тел с доломитами четкие. Часто внутри залежей магнезита наблюдаются прослои доломита, дайки диабазов, габбро - диабазов, диабазовых порфиритов и карстовые полости.
Эти дайки образуют обычно крутопадающие тела, реже пластообразные залежи, залегающие согласно с магнезитами и доломитами. Мощность их достигает 20 м и протяженность 270 м.
Разработка месторождения подземным способом началась в опытном блоке подэтажно- камерной системой с применением твердеющей закладки по методике, изложенной в [9,10]. На период проведения электромагнитных исследований в отработке были камеры первой очереди, когда кровля и стенки их были представлены массивом горных пород (доломитом и магнезитом), расположенные вкрест простирания залежи магнезита на горизонтах 297 м (411,413) и на горизонтах 277 м (211). Первоначальные исследования проводились в соотвест-вующих выработках размером 3х3 м, а последующие исследования проводились после отработки камер 411, 413 и 415, высота которых стала 10 м, а ширина 8 м при той же длине и расширенной до 8м подкровельной выработки 211.
Анализ результатов свидетельствует о практическом отсутствии изменений в распределении эффективного и удельного электросопротивлений вмещающей неоднородности массива среды. Это означает что если и произошли какие- то изменения в массиве при отработке камер, то они носят локальный характер и на геоэлектри-ческие параметры массива в целом не влияют. С геомеханической точки зрения это может означать, что массив на
момент исследований находился в устойчивом состоянии. Однако важно выяснить имеются ли в нем какие-либо потенциально опасные зоны, которые могут привести к нарушению устойчивости массива, а также необходимо оценить степень этой опасности.
Анализ результатов, полученных по камере 411 (рис. 1 а и б), показывает, что произошло перераспределение локальных зон, определяющих параметр геоэлектрической неоднородности, однако по абсолютным значениям уровень его не превышает 250 %,т.е. несмотря на то, что произошла отработка камеры, строение массива в пределах этой выработки практически не изменилось и характеризуется неким статистическим рас-
пределением коэффициента трещиноватости, характерным для всего массива.
Анализ результатов, полученных по камере 413 (рис. 2 а и б), показывает, что произошло существенное перераспределение локальных зон, определяющих параметр геоэлектрической неоднородности, при этом после отработки камеры массив стал менее трещиноватым, уровень средних значений параметра геоэлектрической неоднородности снизился с 400 % до 150 % , т.е. почти в три раза и стал меньше, чем в соседней выработке 411.
Такое резкое изменение состояния массива может быть объяснено результатами лабораторных исследований проницаемости доломитов и связи ее с
Рис. 1. Распределение среднего значения параметра гео-
электрической неоднородности в камере 411: а- до ее отработки апрель 1997г., б- после ее отработки март 1998г.
Условные обозначения: сплошная - на частоте 5 кГц, Пунктирные кривые: на частотах 10 - 80 кГц
Рис. 2 Распределение среднего значения параметра гео-электрической неоднородности в камере 413: а- до ее отработки апрель 1997г., б- после ее отработки март 1998г.
Условные обозначения: сплошная - на частоте 5 кГц, Пунктирные кривые: на частотах 10 - 80 кГц
Рис. 3 Распределение среднего значения параметра гео-электрической неоднород-ности в камере 211: а- до ее отработки апрель 1997г., б- после ее отработки март 1998г.
Условные обозначения: сплошная - на частоте 5 кГц, Пунктирные кривые: на частотах 10 - 80 кГц.
415 камере была обнаружена интенсивная приповерхностная аномальная зона со стороны почвы камеры, в 411 и 415 камерах обнаружены меньшей интенсивности приповерхностные зоны со стороны кровли. Надо сказать, что распределение аномальных зон в межвыработочном простанстве изменило свою геометрию после отработки камер: так аномальные зоны распределились у камер 297 горизонта в тонком слое 0.5- 3м в кровле и почве, в то время как для камер 277 горизонта имеются аномальные зоны, находящиеся и глубже вплоть до 6- 8м при этом изменившие свою проницаемость и влагонасыщенность.
проводимостью при снятии давления и нагружении образца [11].
Из анализа результатов, полученных по камере 211 (рис.За и б) аналогично камере 413 видно, что произошло существенное перераспределение локальных зон, определяющих параметр геоэлектрической неоднородности, при этом после отработки камер верхнего горизонта массив стал менее трещиноватым, уровень средних значений параметра геоэлектри-ческой неоднородности снизился с 500 % до 200 %, т.е. в два с половиной раза и стал сопоставимым с уровнем 411 выработки. В результате проведения количественной интерпретации средних значений параметра неоднородности для пяти частот [7] в
Магнезит и доломит, представляющие основные породы магнезитового месторождения, относятся к типу осадочных пород, в то время как породы Узельгинского месторождения относятся к типу вулканогенно - осадочных. Главным элементом структуры этого месторождения является депрессия в поверхности базальт - ан-дезибазальтовой толщи, заполненная кислыми вулканитами и вулканогенно
- осадочными породами, вмещающими рудные тела. Рудные тела располагаются на двух уровнях: 1) нижнем
- в кровле пачки эффузивных кварцевых риолитов и 2) верхнем - в кровле пирокластической пачки кислого состава. Форма рудных тел лентовидная, пла-сто - и линзообразная с раздувами, пережимами и «пальцеванием» на вы-клинках.
Основу массивных сплошных руд составляет пирит, среди которого неравномерно распределены другие рудные минералы: главные - халькопирит, второстепенные - арсенопирит, магнетит, гематит и редкие -гессит, борнит, и другие. Рудное тело, в котором проводились нами электромагнитные исследования сложено преимущественно медно - цинковыми рудами с увеличивающимся к кровле содержанием блеклых руд. В подошве рудного тела выделяются маломощные линзы серно- и медно - колчеданных руд. Текстуры и структуры руд столь же разнообразны, как и их минеральный состав. Преобладают брекчиевидные, массивные и колло-морфные текстуры. На месторождении широко развиты дайки диабазов, диабазовых порфиритов и габбро -диабазов, имеющих как крутое , так и
Рис.4 Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности и вмещающий неоднородности генерализованный разрез вдоль орта 8. Узельгинский рудник 1999, горизонт 550м
пологое залегание [12]. Приведенное геологическое описание свидетельствует о существенном различии этого объекта от Саткинского по структуре, текстуре и вещественному составу.
Электромагнитные исследования проводились в 1999 году по той же методике на горизонте 550 м в двух взаимно перпендикулярных выработках: одна (орт8) вдоль рудного тела, другая поперек рудного тела (штрек 4).
На рис. 4а приведено распределение среднего параметра геоэлектри-ческой неоднородности по электромагнитным индукционным наблюдениям вдоль орта 8. Качественное отличие этого распределения от соответствующих Саткинских состоит в том, что его абсолютные значения,
соответствующие частоте 5 кГц, меньше, чем на остальных частотах. Интерпретация этих данных, приведенная в виде разреза (рис.4б), позволяет предположить, что большинство аномалий этого параметра создается на контакте блоков в рудном теле, т.е. с помощью предложенной методики можно картировать структуру горного массива, определяемую различными вкраплениями в сплошную породу.
Если при экспериментах, проводимых в Сатке, промежуток между ними составлял примерно год и техногенное влияние на массив в виде процесса отработки выработок было растянуто во времени, то при экспериментах на Узельгинском руднике мы зафиксировали отклик массива на 3 массовых взрыва, проведенных между тремя рабочими сменами в непосредственной близости от штрека ДСШ4. На рис.5а и б изображено распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности до и после массовых взрывов.
При проведении первого цикла наблюдений нами была выявлена зона на-рушенности, которая при сопоставлении с геологическими данными совпала с трещиной отмеченной ранее в этом месте. Наибольшее изменение параметра геоэлектрической неоднородности проявилось именно в этом месте, причем
положение зоны нарушенности сместилось в направлении пересечения двух выработок: ДСШ4 и орт8. При этом в зоне нарушенности абсолютное значение среднего параметра геоэлектриче-ской неоднородности на 5 кГц выше, чем для остальных частот, что совпадает соответственно с Саткинскими экспериментами.
Заключение
Полученные результаты свидетельствуют об информативности разработанного способа электромагнитного мониторинга горных массивов, подвергающихся интенсивному техноген-
ному воздействию, и позволяют рекомендовать его для широкого использования на других шахтах для решения аналогичных прикладных задач.
Изучение структуры горных массивов, выделение потенциально опасных зон потери устойчивости массивов является этапом исследования важной и актуальной проблемы прогноза поведения массива. Предложенный комплекс современной аппаратуры и методики, опирающейся на трехмерную теорию интерпретации переменных электромагнитных полей, позволит
Рис. 5 Изменение среднего параметра геоэлектрической неоднородности до (а) и после (б) массовых взрывов ( два дня спустя). Узельгинский рудник, ДСШ4, 1999г. Сплошная линия 5кГц, пунктирные линии 10,20,40,80 кГц
решать эти сложные задачи. Важную роль здесь будет играть ком-плексирование с сейсмическим полем и прямыми геомеханическими исследованиями[6].
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 99- 05- 64371
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М. Недра 1994. с.207.
2. Влох Н.П. Проблема определения напряженного состояния массива скальных пород. // Проблемы механики горных пород. С. Петербург 1997. с. 93-102.
3. Хачай ОА., Человечков А.И. Аппаратурно-методический комплекс для изучения строения горных массивов. // Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений. ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург, 1996,с.225-226.
4. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование трехмерной методики индукционных электромагнитных исследований строения горных массивов. // Физика Земли. 1999, №6, с. 61-63.
5. Хачай О.А., Хачай А.Ю., Новгородова Е.Н. Рациональная геофизическая методика контроля устойчивости массива при подземной отработке рудных месторождений. // Проблемы механики горных пород. С. Петербург 1997. с. 479- 484.
6. Хачай О.А. Комплексный геофизический и геомеханический подход для мониторинга деформационных процессов. // Проблемы
безопасности и совершенствования горных работ. Материалы международной конференции Пермь. 1999,с. 235 - 236.
7. Хачай ОА., Новгородова Е.Н., Влох Н.П., Липин Я.И. Трехмерные электромагнитные исследования строения и состояния массива горных пород. // Горная геофизика. Материалы международной конференции. С.- Петербург 1998. С. 591 - 598.
8. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Влох Н.П., Липин Я.И., Хованов Н.И. Электромагнитный мониторинг массива горных пород при разработке месторождения магнезита. Там же. С. 71 - 77.
9. Влох Н.П., Липин Я.И., Ковалев М.Н., Лузин П.Н. Выбор системы разработки и обоснования ее параметров при добыче магнезита подземным способом.// Горный журнал, 1994, N5,c.22-25.
10. Влох Н.П. Геомеханическое обеспечение эффективной и безопасной разработки рудных месторождений подземным способом.// Горный вестник, 1995, N4. с. 28-31.
11. Stesky R.M. Electrical conductivity of brine - saturated fractured rock// Geophy-sics, V. 51, N8, p. 1585-1593.
12.Минеральные ресурсы Учалинского горно-обогатительного комбината. ИГ УНЦ. Уфа. 1994.С.328.
/----------------------------------------------------------------------7
Хачай Ольга Александровна - Институт геофизики Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург.
Новгородова Е.Н. Инсшт геофизики Уральскою отделения РАН, I. Екаюринбур!.
