CC BY
26
© О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова, О.Ю. Хачай, 2003
УЛК 622.272
О.А. Хачай, Е.Н. Новгоролова, О.Ю. Хачай
НОВАЯ МЕТОЛИКА ОБНАРУЖЕНИЯ ЗОН ЛЕЗИНТЕГРАНИИ В О КОЛОВЫРАБОТОЧНОМ ПРОСТРАНСТВЕ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОЛ РАЗЛИЧНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА*
Впервые явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок было описано в [1], которое в дальнейшем было зарегистрировано в виде открытия [2]. Изучение морфологии и динамики миграции этих зон имеет особое значение при отработке глубокозалегающих месторождений, осложненной динамическими явлениями в виде горных ударов. Важным инструментом для этого изучения являются геофизические исследования. Ввиду того, что информацию о структуре и состоянии среды можно получить из геофизических данных путем их интерпретации в рамках модели, являющейся некоторым приближением к реальной среде, необходимо выбрать ее из класса физически и геологически обоснованного. Как показано в [3], для описания геологической среды в виде массива горных пород с его естественной и техногенной неоднородностью следует пользоваться ее более адекватным описанием, какой является дискретная модель среды в виде кусочнонеоднородной блоковой среды с вложенными неоднородностями меньшего ранга, чем размер блока. Эта вложенность может быть прослежена несколько раз, т.е. изменив масштаб исследования, мы видим, что неоднородности меньшего ранга выступают теперь в виде блоков для неоднородностей следующего ранга. Как показано в работе [3] простое усреднение измеряемых геофизических параметров может приводить к искаженным представлениям о структуре среды и ее эволюции. Развитию использования иерархично-блоковой модели среды на качественном уровне посвящен ряд работ сотрудников ОИФЗ РАН [4-5]. Важное значение имеют работы В.Н. Страхова, посвященные созданию теории интерпретации гравитационных и магнитных полей в условиях дискретной среды, принципиальное начало которой было положено в [6] и получило свое развитие в многочисленных дальнейших работах. Следует отметить, что для изучения тонкой структуры дискретных иерархических сред, более высокой разрешающей способностью обладают геофизические поля, зависящие как от пространственных координат, так и от времени, либо частоты - это сейсмические и электромагнитные поля. Дополнительно к этому, эти поля, возбуждаемые сосредоточенными источниками, благодаря геометрии нормального поля, обладают фокусирующим свойством или свойством локализации.
В Институте геофизики УрО РАН разработана по-планшетная методика электромагнитных индукционных исследований в частотно-геометрическом вариан-
те, которая используется для картирования и мониторинга слож-нопостроенных геологических сред в наземном и подземном (шахтном) варианте. Во втором случае адаптация этой методики к подземным исследованиям в шахтных выработках для определения структуры массивов горных пород, состояния и их динамики при техногенном воздействии позволила провести объемные геофизические исследования в геологической среде [7-8]. Остановимся на результатах этих экспериментов более подробно. Используемая методика относится к геофизическим методикам неразрушающего контроля. Она отличается от известных ранее методик просвечивания или томографии системами наблюдения и последующим методом интерпретации, основанной на концепции трехэтапной интерпретации [7-8]. Эта методика в качестве возбуждающего поля использует поле вертикального магнитного диполя на ряде частот: от 5 до 80 кГц. Измерения модуля трех компонент магнитного поля (вертикальной Н I и двух горизонтальных: вдоль выработки 1Нг I и поперек выработки 1Нф I) проводятся в рамках планшета (в профильном варианте расстановки) с шагом 5 м длиной 60-80 м (в зависимости от геоэлектрических свойств изучаемого массива. Источник возбуждения находится в начале расстановки и перемещается систематически с ней через 15 м вдоль выработки. Для каждой расстановки и фиксированной частоты ю определяются два интепретационных параметра: рэфф.(г) = юг2( Н I/ 1Нг 1)/п и 5(г) =
=( !Нф I/ !Нг !)х 100%. Эти данные составляют информационную базу данных для дальнейшей интерпретации, которая осуществляется в три этапа [9]. На первом этапе определяются геоэлектрические параметры одномерного разреза для каждой расстановки после предварительной фильтрации данных рэфф.(г) с учетом условия: 5(г)<Д, где А - уровень фильтрации [9]. Интерпретация производится в рамках слоистой модели: п слоев над выработкой, п слоев под ней. Далее производится вычисление среднего разреза с учетом перекрытий. В результате чего, мы получаем распределение удельного сопротивления в околовыработочном пространстве вверх и вниз от выработки для каждой точки наблюдения. Выбирается максимальная мощность слоистой пачки, определяемая глубиной проникновения поля. В пределах этой мощности производится осреднение удельного сопротивления по вертикали. Затем используется алгоритм определения горизонтальных границ блоков. Эти границы определяются из условия: ртах/ртт = С, ртах, ртт - соответствуют левой или правой границам блока соответственно, значение С задается, обычно оно равно 1.55.
Затем осуществляется второй этап интерпретации в рамках алгоритма, позволяющего определить геометрические характеристики проводящих включений и их суммарные эквивалентные моменты, которые пропорциональны отношению разности проводимостей во вмещающей среде и во включении к проводимости
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант □ 02-05-64229.
1 3 5 7 9 11 13 Пк 15 17 19 21 23 25
0 10 20 30 40 50 60 м 70 80 90 100 110 120
--664
--666
1 1 I Г
I I
150 200 500 1000 5000 и более
1 3 5 7 9 11 13 Пк 15 17 19 21 23 25
0 10 20 30 40 50 60 м 70 80 90 100 110 120
б
1000 5000 и более
менее .1 .1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более
653
--655
--662
664
менее .1 .1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более
653
--655
-666
668
менее .1 .1 - .2 .2 - .5 .5 - .7 .7 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 10 10 и более
в
Рис. 1. Геоэлектрические разрезы 4 орта, горизонт -210, Таштагольский подземный рудник 2002г., частота 5 кГц, три цикла наблюдений
во вмещающей среде. Здесь следуя [6] используется аппроксимационный принцип для переменных электромагнитных полей. Исходная модель включения выбирается в виде токовой линии конечной длины. Полем такого типа источников аппроксимируется распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности, определенного как среднее значение 5 в каждой точке профиля, расположенного вдоль выработки. Решается задача минимизации среднеквадратичного отклонения (невязки) экспериментальной кривой распределения среднего параметра геоэлектрической неоднородности от теоретической [9]. Положение источников возбуждения сохраняется таким же как и при реализации первого этапа. Токовые линии распо-
Рис. 2. Изменение суммарной интенсивности влияния зон трещиноватости в почве.
выработки, либо над профилем вверх. При этом определяются описанные выше параметры этих токовых линий, подбор ведется в полуавтоматическом режиме: изменение искомых параметров в процессе подбора назначается интерактивно. Процедура заканчивается, когда невязка становится меньше заданного значения. Абсолютная величина невязки контролируется заданной точностью подбора экспериментального значения среднего значения параметра геоэлектрической неоднородности в экстремальных точках. Математически эта процедура реализована в виде программно - реализованного алгоритма для 1ВМ Репйит -200 (Е.Н. Новгородова). Таким образом, по результатам первого и второго этапов интерпретации строится трехмерная геоэлектрическая модель изучаемого участка геологической среды.
Разработанный нами подход для переменных электромагнитных полей распространяется на случай динамической сейсмики с активным источником возбуждения в рамках единой трехэтапной концепции интерпретации электромагнитных и сейсмических полей [10]. Эта методика также позволяет изучать гетерогенную среду в рамках дискретноиерархической модели в отличие от широко используемых сейсмических методик, основанных на кинематическом подходе. Новая комплексная объемная методика электромагнитных индукционных и сейсмических (в динамическом варианте) исследований,
-636
-653
657
660
662
-668
-681
20
50
90
657
660
-666
668
-668
-681
20
50
90
500
-636
-653
-657
660
-662
664
-668
-681
20
50
90
500
1000
5000
и более
1-до 1м, 2-1м-2м, 3-2м-3м, 4-Зм-4м 5-4м-5м, 6-5м-6м, 7- 6м-7м, 8 7м-8м
а
1-до 1м, 2-1м-2м, 3-2м-3м, 4-Зм-4м 5-4м-5м, 6-5м-6м, 7- 6м-7м, 8 7м-8м
б
1-до 1м, 2-1м-2м, 3-2м-3м, 4-Зм-4м 5-4м-5м, 6-5м-6м, 7- 6м-7м, 8 7м-8м
В
позволяет построить объемную геоэлектрическую и упругую модель строения массива горных пород. В шахтных условиях на месторождениях различного вещественного состава с помощью этой методики проведено обнаружение зон неоднородности массивов горных пород, Получены критерии, позволяющие произвести разбраковку этих зон на зоны скрытой трещиноватости и контактовые (разномодульные) зоны, которые нашли свое подтверждение в геологических и геомеханических данных [11-12]. Высокая точность предлагаемого подхода обеспечивается возможностью использования объемных систем наблюдения, в рамках имеющихся разноуровневых выработок. В условиях шахты “Магнезитовая” (г. Сат-ка) при достаточно высокоомной вмещающей неоднородности среде удалось реализовать итерационный алгоритм подбора параметра геоэлектрической неоднородности в рамках электромагнитной методики с учетом бокового влияния и “почва -кровля” [8].
В шахтах бокситового месторождения эта система мониторинга применена второй раз, Первый раз она была использована в шахте “Кургазакская” ЮУБРа.
Рис. 4. Изменение поинтервальной от контура выработки суммарной интенсивности влияния зон трещиноватости в почве: а
- один цикл наблюдений в 2000г., б - два цикла наблюдений в 2001 г; в - три цикла наблюдений в 2002 г.
Проведенные геофизические исследования в этой шахте показали, что массив бокситового месторождения является также сложной иерархической средой с локальными неоднородными зонами повышенной трещиноватости и влагонасыщенности. Вмещающая неоднородности среда по геоэлектрическим свойствам характеризуется выдержанностью в горизонтальных направлениях. Зависимость от частоты распределения удельного сопротивления в разрезах по взаимно параллельным профилям наблюдается только в прилегающей к контуру выработки части массива, что характеризует массив в целом как устойчивый и только техногенно нарушенный. Особенностью геоэлектриче-ских разрезов является различие по удельным сопротивлениям слоев над выработкой и под выработкой, причем сопротивление слоя кровли ниже, чем слоя в почве. Это может приводить к сдвижениям в кровле выработок при изменении водного режима в шахте.
Распределение зон локальной неоднородности в пределах шахтного поля - важная информация для безопасной отработки месторождения. Выявленные особенности этого распределения для небольшого опытного участка, размеры которого 250мх150 м, свидетельствуют о том, что зоны трещиноватости имеют наведенный техногенный характер. Так как участок исследования располагался вблизи зоны отработки, наблюдается динамика их пространственного расположения и их интенсивность. Поведение этих зон во времени, динамика их состояния является важной информацией для управления процессом отработки.
Представляет интерес проанализировать результаты трех циклов электромагнитного мониторинга массива Таштагольского подземного рудника, проводимого в 2000, 2001 и 2002 гг. в течение августа месяца в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах. Условные обозначения: М0=М0хЬ0х103, М0 - коэффициент, на который домножается момент электрической токовой линии, эквивалентной по полю влиянию зоны геоэлектрической неоднородности, и который пропорционален отношению разности проводимостей во вмещающей среде и во включении к проводимости во вмещающей среде, Ь0 - длина токовой линии, сопротивление вмещающего разреза приведено в ом.м. По вертикали приведены значения в м (абсолютных отметках), по горизонтали - длина выработки в пикетах (пк) и метрах.
Здесь мы рассмотрим результаты мониторинга орта 4 горизонта -210, так как в 2001 г. в этой выработке проведены дополнительные повторные наблюдения, а в 2002 г. дополнительно три повторных наблюдения. Таким образом есть возможность проанализировать строение массива за промежутки времени различной длительности.
На приведенных разрезах (рис 1 а-в), полученных в 2002 г., видно, что даже за незначительный промежуток времени (1 неделя) наиболее значительно происходит изменение положений зон локальной неодно-
родности и их интенсивности. Рассмотрим величину интегральной интенсивности
^ =Х Мо( х, Н ) (1)
і
где Н - исследованная мощность массива в почве, х -координата центра зоны вдоль выработки, I - номер зоны. Условные обозначения: по горизонтали: даты (в годах) циклов исследований.
На рис. 2 приведено изменение этой величины для трех частот электромагнитных исследований: 1 - за 2000 г., 2-5 за 2001 г. и 6-8 за 2002 г. Коэфициенты корреляции соответствующих распределений Бр для трех частот приведены в таблице:______
й(Бр) 20-10 10-5 20-5
.705 .752 .808
Хорошая коррелированность полученных результатов свидетельствует об изменениях в массиве, расположенном в почве, не приводящих к его неустойчивости.
Введем аналогичную величину для массива в кровле выработки:
Як =£ Мо (х, Н)
п
Как это видно, в частности из рис. 1 имеется значительное отличие строения массива в кровле и в почве. На рис. 3 анализируется изменение отношения Бр/Бк за три года проводимых исследований. Три цикла наблюдений 2002 г. показывают резкое различие поведения отношений в зависиости от частоты, что может свидетельствовать о неустойчивости фазового состояния массива, расположенного в кровле.
Проанализируем результаты интерпретации данных электромагнитного мониторинга для каждого цикла
(2000, 2001, 2002 гг.) в отдельности, в частности для 5 кГц. При этом разобьем интервал Н (1) на подинтерва-лы через 1м от контура выработки и для каждого из них вычислим величину Б-интегральную поинтерваль-ную интенсивность влияния зон неоднородности в массиве, расположенном в почве выработки.
На рис. 4а изображена эта зависимость, полученная по данным 2000 г. Интенсивность Б монотонно убывает от контура выработки. На рис.4б видно появление интервалов отсутствия зон локальных неоднородностей (2001 г.). Эта тенденция проявилась еще более явно из анализа данных 2002 г. (рис. 4в).
Таким образом, полученные результаты электромагнитного индукционного мониторинга позволяют сделать выводы:
- строение массива горных пород различного вещественного состава удовлетворяет модели иерар-хичной дискретной среды. Нам удалось проследить два иерархических уровня.
- зоны дезинтеграции в околовыработочном пространстве расположены несимметрично в почве и кровле и дискретно: т.е. имеются интервалы в около-выработчном пространстве полного их отсутствия.
- максимальные изменения в массиве, находящемся под техногенным влиянием происходят именно в морфологии пространственного положения этих зон в зависимости от времени.
Представляет интерес изучить взаимосвязь полученных характеристик геофизического мониторинга с рядом разноэнергетических динамических событий, происшедших в период трехлетних исследований Таш-тагольского массива горных пород.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шемякин Е.Н, Фисенко Г.Л, Курленя М.В, Опарин В.Н. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок.// ДАН СССР. 1986. Т. 289, №5.
2. Открытие №400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок// Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, В.Н. Опарин и др.БИ 1992,№1.
3. Садовский М.А. Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука. 1987. С.98.
4. Дискретные свойства геофизической среды. М.:Наука. 1989. С.173.
5. Родионов В.Н, Сизов И.А., Кочарян Г.Г. О моделировании природных объектов в геомеханике. Там же С. 14-18.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
6. Страхов В.Н. Научное мировоззрение 1,11. Геофизика. 1993, Ш, 1994, №1, С.9-21.
7. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование трехмерной методики индукционных электромагнитных исследований строения горных массивов// Физика Земли, 1999, №, с.61-65.
8. Хачай О.А., Влох Н.П, Новгородова Е.Н, Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород// Физика Земли, 2001, №2, с.85-92.
9. Хачай О.А, Новгородова Е.Н. Опыт площадных индукционных исследований резко неоднородных гео-электрических сред.// Физика Зем-ли,1997, N5, с.60-64.
10. Хачай О.А., Бодин В.В, Хин-кина Т.А. Единый подход к интерпретации 30 сейсмических и электромаг-
нитных полей в частотно-геометрическом варианте при локальном возбуждении.// Вопросы теории и практики интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Екатеринбург, 1999. С. 68-69.
11. Хачай О.А., Новгородова Е.Н, Влох Н.П, Худяков С.В. Электромагнитный мониторинг миграции зон повышенной трещиноватости массива горных пород при техногенном воздействии // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, СО РАН, 1999г. с. 363-367.
12. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Картирование и идентификация зон нарушенности массивов горных пород, различающихся по вещественному составу, электромагнитным методом// УрО РАН, Екатеринбург,2000.с. 114123.
Хачай Ольга Александровна - доктор физико-математических наук, зав. группой сейсмоэлектромагнитных исследований, Институт геофизики УрО РАН.
Новгородова Елена Назаровна - научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН.
Хачай Олег Юрьевич- студент IV курса математического ф-та Уральского государственного университета.
Файл: ХАЧАИ
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB11~03
Шаблон:
C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do
Ш
Заголовок: НОВАЯ МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ ЗОН ДЕЗИНТЕГРА-
ЦИИ В ОКОЛОВЫРАБОТОЧНОМ ПРОСТРАНСТВЕ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО С
Содержание:
Автор: Хачай О. А.
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 18.08.2003 16:02:00
Число сохранений: 5
Дата сохранения: 29.08.2003 15:29:00
Сохранил: Гитис Л.Х.
Полное время правки: 15 мин.
Дата печати: 09.11.2008 18:16:00
При последней печати страниц: 4
слов: 2 529 (прибл.)
знаков: 14 417 (прибл.)
