CC BY
27
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© О.А. Хачай, В.В. Бодин,
Е.Н. Новгородова, А.Ю. Хачай,
И.Б. Захаров,Т.А. Хинкина, 2001
х \ ч\
УДК 622.831:681.3:512.2
О.А. Хачай, В.В. Бодин, Е.Н. Новгородова,
А.Ю. Хачай, И.Б. Захаров, Т.А. Хинкина
МЕТОД КАРТИРОВАНИЯ ЗОН ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ДИНАМИЧЕСКОЙ СЕЙСМИКИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ*
Массив горных пород, находящийся под влиянием техногенного воздействия, кроме геологических неоднородностей, связанных с наличием контактов пород различного вещественного состава, обладает зонами повышенной трещиноватости и влагонасыщенно-сти, 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
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 99-05-64371 - а.
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 сложнопо-строенной геологической среды. На сегодняшний день эта проблема является еще поисковой в теоретическом плане. В [2] обсуждаются теоретические аспекты для разработки новых комплексных геофизических методик исследования и рассмотрены некоторые прикладные результаты их использования.
В настоящей работе продолжены исследования, описанные в работе [2]. Представлены результаты по совместному электромагнитному и сейсмическому мониторингу изменения структуры вулканогенно - осадочных пород горного массива (Узельгинский рудник) при техногенном воздействии. Исследованы закономерности поведения горного массива, связанные с динамикой процесса трещинообразования, проанализированы их проявления в регистрируемых динамических характеристиках волновых полей.
Натурные исследования проводились с помощью разработанной в Институте геофизики УрО РАН комплекта аппаратуры для малоглубинных индукционных электромагнитных исследований, разработчик в. н. с. А.И. Человечков, сейсмической 24 - канальной станции «Урал - Мини», разработчики с.н.с Л.Н. Сенин и И.Б. Захаров, и
12 канальной сейсмической аппаратуры «Агат-05». Первоначально аналогичные работы проводились в течение ряда лет на шахте «Магнезитовая» под руководством Н.П. Влоха с целью выявить такие геофизические параметры, которые картировали бы объемное распределение зон потенциальной неустойчивости массива горных пород с одной стороны, а с другой стороны были бы чувствительны к изменениям, связанным с вещественно-структурными перестройками в этих зонах. В [3] были получены результаты, свидетельствующие о том, что в результате использования описанного выше подхода имеется возможность оценить скоростные параметры и параметры удельного электросопротивления, характеризующие слоисто-блоковый массив в око-ловыработочном пространстве, как вмещающую зоны потенциальной неустойчивости среду. Эти характеристики практически не изменяются при техногенном воздействии на массив. С другой стороны параметры, характеризующие аномальность структуры и состояния массива - параметры сейсмической и геоэлектрической неоднородности обладают еще и повышенной чувствительностью к изменениям, происходящим в массиве. Они определяются как отношение горизонталь-
ных компонент магнитного, либо сейсмического полей на фиксированной частоте, измеряемых в рамках единообразной методики наблюдения с перекрытиями, шаг наблюдения 5 м, шаг перемещения источника возбуждения 15 м, источник возбуждения электромагнитного поля - вертикальный магнитный диполь, сейсмического поля - вертикальная сосредоточенная сила (удар кувалды).
Из полученных результатов следует (рис. 1а), что параметр сейсмической неоднородности хорошо картирует зону контакта доломит - магнезит, аномалия его более контрастна, нежели параметра геоэлектрической неоднородности. В той части выработки, где имеет распространение ма-лонарушенный массив магнезита, уровни сейсмического и геоэлектрического параметров неоднородности сближаются. На рис. 1б параметром геоэлектрической неоднородности на частоте 5 кГц картируется зона нарушенности в массиве, которая согласуется с распределением параметра сейсмической неоднородности на более низкой частоте (кривая 2). В то время как на других частотах имеется хорошее согласие с распределением сейсмического параметра неоднородности на более высокой частоте. В случае шахты «Магнезитовая» породы доломит и магнезит слабо различаются по электропроводности, в то время как по упругим модулям различие имеется, поэтому использование электромагнитной съемки является информативным для выявления зон нарушен-ности в массиве и разбраковки сейсмических аномалий. Результаты интерпретации электромагнитных данных [3] показали, что в зонах на-рушенности, характеризуемых как зоны разрухи, параметр, связанный с электропроводностью этих зон, проявляет значимую зависимость от
Рис. 1. Результаты совместных сейсмических и электромагнитных исследований на шахте «Магнезитовая», Сатка
а) распределение параметра сейсмической 1(частота 341 гц), 2(частота 278 гц) неоднородности и пунктирные линии ( частоты 5 кГц - пунктир 0.3мм и 40 кГц - пунктир 0.05 мм) - параметра геоэлектрической неоднородности на горизонте 277м, б) распределение параметра сейсмической неоднородности (обозначение те же, что и для а) и пунктирные линии ( частоты 5 кГц - пунктир 0.3см, 10 кГц - пунктир 0.1 см и 20 кГц - пунктир 0.2 см) - параметра геоэлектрической неоднородности на горизонте 297м. L - расстояние в м, п - номер пикетов
частоты (так называемое проявление дисперсии) и картируются они как правило параметром гео-электрической неоднородности на самой низкой рабочей частоте - 5 кГц и на более низкой частоте для сейсмического параметра неоднородности.
Эти же особенности проявились в результатах исследования массива вулканогенно-осадочных горных пород этим же комплексом методов на глубине 550 м в шахте Узельгинского рудника. При этом геоэлектрическое строение массива в околовыработочном пространстве сложное. Контакты рудного медноколчеданного тела и безруд-ных зон представляют собой резкий контраст в электропроводности, поэтому параметром гео-электрической неоднородности мы картируем не только зоны нарушенности, но и контактовые зоны, в то время как сейсмический параметр неод-
согласованности распределения параметра гео-электрической неоднородности по профилю наблюдения, устойчиво выявлены четыре аномальные зоны различной мощности (пикеты 2-4, 4-7,
12-18, 20-22). После массового взрыва аномалии сейсмического параметра неоднородности совпали с электромагнитными, кроме аномалии (пикеты 4-8), у которой эпицентры смещены. Выводом этих результатов может служить следующее, что строение массива в околовыработочном пространстве претерпело сразу изменение, которое спустя три месяца после взрыва осталось в неизменном состоянии. С другой стороны разрешающая способность комплексной методики такова, что позволяет фиксировать изменения, не приводящие непосредственно сразу к катастрофическим явлениям (толчкам, горным ударам).
нородности в этом массиве более чувствителен к зонам нарушенности и является параметром разбраковки для электромагнитных данных.
Результаты, представленные на рис. 2, демонстрируют степень изменчивости параметра сейсмической неоднородности при сильном техногенном воздействии - массовом взрыве, произведенном на расстоянии 250 м от начала профиля исследования на том же горизонте 550 м. Распределение параметра геоэлектрической неоднородности было получено значительно позже произведенного взрыва. Судя по хорошей почастотной
Рис. 2. Результаты электромагнитных и сейсмических исследований на шахте подземного Узельгинского рудника, ДСШ3
а) распределение параметра сейсмической неоднородности (частота 210гц, кривая 1) до массового взрыва , б) распределение параметра сейсмической неоднородности (частота 210гц, кривая 1) на следующий день после массового взрыва; а, б -пунктирные линии - распределение параметра геоэлектрической неоднородности через три месяца после массового взрыва, частота 5 кГц - длина пунктира 0.3 см, 10 кГц - 0.15см, 20 кГц - 0.1см, 40 кГц - 0.05см, 80 кГц - 0.2 см, п - номера пикетов
На рис. 3 приведены результаты двух циклов электромагнитных наблюдений в ноябре 1999 г. и марте 2000 г., при этом оба цикла включали в себя наблюдения до и после массового взрыва, причем в ноябре он был произведен в непосредственной близости от профиля наблюдения на расстоянии 100 м от его начала, точка взрыва
располагалась в створе профиля, в марте расстояние от начала профиля до точки взрыва составило 200 м и угол между профилем и направлением на начало профиля составлял 60°. Сейсмические исследования проводились однократно 12 ноября (до массовых взрывов). Наибольшие изменения в распределении параметра геоэлек-
Рис. 3. Результаты электромагнитного и сейсмического мониторинга в штреке ДСШ4 Узельгинского подземного рудника
а - частота 5кГц, б - 10кГц, в - 20 кГц, г - 40 кГц, д - 80 кГц.;1- распределение сейсмического параметра неоднородности, частота 210 гц, 12 ноября 1999 г. Пунктирные линии - распределение параметра геоэлектрической неоднородности, пунктир - 0.05 см - 11 ноября 1999 г., 0.15 см - 18 ноября 1999 г., 0.3 см - 14 марта 2000 г., 0.1 см - 19 марта 2000 г., 0.2 см - 20 марта 2000 г.
трической неоднородности на всех частотах произошли после первого массового взрыва 18 ноября, при этом аномалии на пикетах 2-6 и 7-10 на 40 и 80 кГц (рис. 3г, 3д) увеличилась почти в 2 раза, при этом на 80 кГц зона неоднородности (пикеты 7-10) локализовалась и совпала с эпицентром аномалии параметра сейсмической неоднородности. Анализ распределений параметра геоэлектрической неоднородности по профилю и во времени показывает, что наиболее значимые изменения под техногенным воздействием происходят в первой половине профиля (до 11 пикета), начиная с частоты 20 кГц появились изменения во времени аномального эффекта на пикетах
13-15. Эти аномалии наилучшим образом согласуются с аномалиями сейсмического параметра неоднородности для частоты 80 кГц. В этом эксперименте сейсмические данные полученные до взрыва явились как бы прогнозом по выделению усиливающихся зон потенциальной неустойчивости.
На рис. 4 приведены результаты совместных трехкомпонентных электромагнитных и сейсмических исследований в Таштагольском подземном руднике, проведенных в рамках единой методики единообразно с проводимыми экспериментами на Узельгинском руднике и в шахте «Магнезитовая», г. Сатка. Подробное сопоставление результатов электромагнитной съемки с геологической информацией, предоставленной геологической службой рудника, сделано в работе [4]. Следует отметить, что значения параметра геоэлектрической неоднородности на магнетито-вых месторождениях достигают больших значений: 1000 % и более. Это характерно для всех магнетитовых шахт, на которых проводились электромагнитные исследования: Кушва, шахта Южная, Высокогорский ГОК, шахта Магнетитовая, Таштагольский подземный рудник. Представляет интерес понять отчего этот параметр резко увеличивается в своих абсолютных значениях по сравнению с шахтами других типов месторождений. Например, на осадочных породах, шахта «Магнезитовая« максимальные значения в локальных зонах достигают 200-400 %, в шахте Узельгинского рудника (медно-колчеданное месторождение) (Учалы) - 600-800 %. Однако, что касается параметра сейсмической неоднородности его максимальные значения не зависят от вещественного состава пород конкретной шахты.
На Таштагольском руднике комплексные геофизические исследования проводились только в рамках одного цикла наблюдений, поэтому совместный анализ распределений параметров гео-электрической и сейсмической неоднородности позволяет сделать лишь выводы прогнозного характера о возможном развитии зон потенциальной неустойчивости массива. На горизонте 350, орт 18 (рис. 4а) зоны трещиноватости, выделенные по электромагнитным данным хорошо согласуются и с сейсмическими данными на более низкой частоте (60 Гц), аномалия сейсмического параметра неоднородности на частоте 96 Гц смещена на 5 м влево по профилю и свидетельствует о возможном наклонном к поверхности выработки выходе трещиноватой зоны. Однако процесс трещиноватости носит установившийся характер. Аналогичная картина наблюдается и для 210 горизонта, орт 2 (рис. 4в). Что касается горизонта 350, орт 19 (рис. 4б) сейсмические наблюдения проводились в зоне расположения трещины, влияние которой картируется параметром сейсмической неоднородности, в то время как электромагнитные данные эту неоднородность не картируют. Если использовать результаты исследований на Узельгинском руднике, то можно сказать, что на этом участке профиля процесс трещинообразования активизируется. Подтверждение этому выводу могут быть повторные электромагнитные и сейсмические исследования на этом участке.
Рис 4. Результаты электромагнитных и сейсмических исследований на руднике «Таштагольский»
а - горизонт 350м, орт 18; б - горизонт 350 м, орт 20; в - горизонт 210м,орт 2.
Распределение среднего параметра сейсмической неоднородности (значения увеличены в 10 раз): а) 1- частота 165 Гц (зеленая кривая), 2 - 65 Гц (синяя кривая); б) 1- частота 145 Гц, 2 - 80 Гц; в) 1- частота 165 Гц, 2 - 75 Гц; распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности: сплошная (красная) кривая - частота 5 кГц, пунктирные линии: частота 10 кГц длина пунктира 0.15 дюймов, 20 кГц - 0.1, 40 кГц - 0.05, 80 кГц - 0.2; n - номера пикетов
Заключение
Новый подход, положенный в основу комплексной методики сейсмических и электромагнитных исследований показал свою жизнеспособность и практическую значимость при изучении массивов горных пород различного вещест-
венного состава. Сейсмическая и электромагнитная информация носят взаимно дополняющий характер при картировании и прогнозировании поведения массива, находящегося под техногенным влиянием.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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 г., с. 235-236.
2. Хачай О.А., Бодин В.В., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю.,
Захаров И.Б. Использование объемной единой сейсмической и электромагнитной методики исследования строения и состояния массивов горных пород, отличающихся по вещественному составу. // Г еомеханика в горном деле - 2001., Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000, с. 101-109.
3. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование новой трехмерной методики электромагнитных исследований стро-ения горных массивов. Физика Земли. 1999, №5, с. 7-12.
4. Хачай О.А., Хинкина Т.А., Хачай О.Ю.,Ваганова В.А. Результаты многоуровневых электромагнитных исследований в шахте
Таштагольского подземного руд- ника. // Настоящий сборник.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
~7
Хачай Ольга Александровна - доктор физико-математических наук, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
Бодин Валерий Викторович - научный сотрудник, Институт геофизики Уральского отделения РАН. Новгородова Елена Назаровна - научный сотрудник, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
Хачай Андрей Юрьевич - магистрант, Уральский государственный университет.
Захаров Илья Борисович - инженер, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
Хинкина Татьяна Аркадьевна - младший научный сотрудник, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
У
