CC BY
19
© О.А. Хачай, Е.Н. Новгород( О.Ю. Хачай, 2004
УДК 624.131.537/621.37
О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова, О.Ю. Хачай
О ВЫРАБОТКЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА *
Семинар № 3
Для решения задач геологогеофизического картирования в настоящее время широко используется модель слоисто-блоковой среды с включениями, в рамках которой созданы аппаратурно-
методические комплексы изучения трехмерно -неоднородных сред с соответствующей теорией интерпретации геофизических данных [15]. При изучении пространственно - временных изменений структуры, физических свойств геологической среды или массива горных пород и связанных с ними напряженно - деформированного или фазового состояния модель слоисто - блоковой среды с включениями усложняется: она представляет собой двух ранговую цепочку в общей иерархически неоднородной модели среды. Модель иерархически неоднородной среды для описания процессов деформирования и разрушения геофизической среды была впервые предложена академиком М.А. Садовским [13]. Развитию и использованию иерархично - блоковой модели среды на качественном уровне посвящен ряд работ сотрудников ИФЗ РАН [1, 12]. Важную роль для понимания формирования и развития иерархии структурных уровней деформации в твердых телах играют теоретические и экспериментальные результаты, полученные на образцах [11], с помощью которых обоснован подход, базирующийся на представлении о диссипативных структурах в неравновесных системах [8]. В работах [3, 4] Н.А. Караевым обобщены
результаты сейсмических исследований по выделению участков земной коры со строением гетерогенного типа. Гетерогенность, по мнению автора, - важнейшая особенность горных пород, обусловленная неравномерностью распределения в пространстве геологических неоднородностей в виде включений всех масштабов, т.е. по сути дела изучение строения и динамики гетерогенных участков земной коры необходимо с использованием представлений об иерархичных моделях. Явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок, связанные с дискретностью и фрагментацией среды, описаны академиком Е.И.Шемякиным c coaвтopaми [21] и получили статут открытия [22]. Эти явления имеют место как в неглубоких шахтах (до 500 м), так и в глубоких шахтах (более 500 м). Результаты геолого-геофизических исследований сверхглубоких скважин показывают, что с увеличением глубины сложность геологического строения среды не уменьшается [2].
В рамках школы ИГД СО РАН развивается новое направление изучения состояния массива горных пород, называемое нелинейной геомеханикой [6]. Однако нам представляется, что успех может быть достигнут только в комплексе с геофизическими исследованиями, методики проведения которых опираются на модель среды с иерархической структурой. Если же нас интересует дополнительно эволюция этой структуры, то необходимо использовать ком-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 02-05-64229
плексные геофизические методики, обладающие разрешающей способностью выявления зарождения и распада самоорганизующихся структур.
Наконец, проблема мониторинга и прогноза состояния геологической среды требует тщательного отбора из имеющихся методик исследования трехмерных сред, допускающих пространственно - временное (частотное) масштабирование и фокусирование. В работах Н.А. Караева, С.Н. Кашубина, И.Р. Оболенце-вой продемонстрировано, что наличие методик многоволновой сейсмики позволяет изучать гетерогенные [4], гиротропные и анизотропные [5, 9] среды, не прибегая обязательно к использованию контролируемого источника возбуждения. Однако, для переменного электромагнитного поля в силу диффузионной его природы для фокусирования поля на разномасштабных неоднородностях требуется использование контролируемого источника возбуждения.
В Институте геофизики УрО РАН разработана попланшетная методика электромагнитных индукционных исследований в частотногеометрическом варианте, которая используется для картирования и мониторинга сложнопо-строенных 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 [17-18]. Остановимся на результатах этих экспериментов более подробно. Описываемая методика относится к геофизическим методам неразрушающего контроля. Она отличается от известных ранее методик просвечивания или томографии системами наблюдения и последующим методом интерпретации, [16 -18]. В качестве источника используется поле вертикального магнитного диполя на ряде частот от 5 до 80 кГц. Измерения модуля трех компонент магнитного поля (вертикальной |Нг I и двух горизонтальных: вдоль выработки |Нг| и
поперек выработки |Нф|) проводятся на пикетах с шагом 5м в рамках планшета (в профильном варианте расстановки) длиной 6080 м (в зависимости от геоэлектрических свойств изучаемого массива). Источник возбуждения помещается в начале расстановки и затем систематически перемещается с ней через 15 м вдоль выработки. Для каждой
ки. Для каждой расстановки и фиксированной частоты ю предусмотрены контрольные измерения составляющих поля на одном из пикетов для фиксации стабильности работы прибора. Для каждой расстановки и фиксированной частоты ю определяются два интепретационных параметра: рЭфф.(г) = юг2(|Н7|/|Нг|)/п и §(г) = (|Нф|/|Нг|)100%. Эти данные составляют информационную базу для дальнейшей интерпретации, которая осуществляется в три этапа [17]. На первом этапе определяются геоэлек-трические параметры одномерного разреза для каждой расстановки после предварительной фильтрации данных рЭфф.(г) с учетом условия: 8(г)<Л, где А - уровень фильтрации [18]. Интерпретация производится в рамках слоистой модели: п слоев над выработкой, п слоев под ней. Далее, с учетом перекрытий производится вычисление среднего разреза, который представляет собой матрицу, у которой количество столбцов совпадает с количеством точек наблюдения, а количество строчек совпадает с количеством слоев заданной мощности (п). Формируется шкала удельного сопротивления, состоящая из т интервалов, по которой генерализуется разрез по следующему алгоритму: вводится в рассмотрение два переменных вспомогательных вектора У[ и У2 размерности т с нулевыми начальными значениями. С матрицей среднего разреза производим следующие действия: для каждой ячейки матрицы определяется какому интервалу ') (1^т) шкалы принадлежит ее значение р удельного сопротивления. После чего значение ]-ой ячейки вектора У[ увеличиваем на произведение вида: р1, где I - мощность слоя для выбранной ячейки матрицы, а значение ]-ой ячейки вектора У2 увеличиваем на /. После прохода всей матрицы вектор У[ поэлементно делится на вектор У2 , при этом, если некоторый элемент вектора У2 равен нулю, то деление на него не производится. По окончанию алгоритма происходит запись полученных средних генерализованных. по шкале значений удельного сопротивления в матрицу аналогичную исходной. Таким образом результате этого, мы получаем распределение удельного сопротивления в околовыра-боточном пространстве вверх и вниз от выработки для каждой точки наблюдения.
Затем осуществляется второй этап интерпретации в рамках алгоритма, позволяющего определить геометрические характеристики проводящих включений и их суммарные экви-
валентные моменты, которые пропорциональны отношению разности проводимостей во вмещающей среде и во включении к проводимости во вмещающей среде. Здесь, следуя [14], используется аппроксимационный принцип для переменных электромагнитных полей. Ис-
ходная модель включения выбирается в виде токовой линии конечной длины. Полем такого типа источников аппроксимируется распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности, определенного как среднее
20 п
15
5 6
Ноиера интервалов
* 2000 Г
- - 2001 г.
—^ — 2002 г.
і= — — ~ ' -"~г~— ч — ш- - 2003 г.
Горизонт -350, орт 20, частота 10 кГц
—•—2000г.
■ -* ■ 2001г.
— ж- 2002г.
— • ■ 2003г.
123456789 10
Ноиера интервалов
Рис. 1. Распределение поинтереальной интенсивности зон дезинтеграции в почве выработок первой группы устойчивости
, (невязки) экспериментальной кривой распре-
значение 6 в каждой точке профиля, располо- 4 ' г „
деления среднего параметра геоэлектрическои
неоднородности от теоретической [17]. Положение источников возбуж-
женного вдоль выработки. Решается задача минимизации среднеквадратичного отклонения
зо
25
20
15
10
5
А.
. ■ А / '
• ' 4 / 4 \ / \
X у* ■ ■
ї г- 1 + 1 ♦ 1~г~^~ і " -1
— 2000 г.
- -2001 г. • -2002 г. ■ -2003 г.
Номера интервалов
Ноиера интервалов
б
Горизонт -350, орт 18. частота 5 кГц
Ноиера интервалов
Рис. 2. Распределение поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции в почве выработок второй группы устойчивости
дения сохраняется таким же, как и при реализации первого этапа. Токовые линии располагаются непосредственно либо под профилем вниз от 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 по профилю. Эта процедура реализована в виде программно - реализованного алгоритма для 1ВМ Репйиш -200 (Е.Н. Новгородова). Таким образом, по результатам первого и второго этапов интерпретации строится трехмерная геоэлектрическая модель изучаемого участка геологической среды.
Разработанная новая комплексная объемная методика электромагнитных индукции
онных и сейсмических (в динамическом варианте) исследований, позволяет построить объемную геоэлектрическую и упругую модель строения массива горных пород в двухранговой модификации. 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 гео-механических данных [17-18]. Высокая точность предлагаемого подхода обеспечивается возможностью использования объемных систем наблюдения, в рамках имеющихся разноуровневых выработок. В условиях шахты “Магнезитовая” (г. Сатка) при достаточно однородной вмещающей неоднородности среде удалось реализовать итерационный алгоритм подбора параметра геоэлектрической неоднородности в рамках электромагнитной методики с учетом как бокового влияния, так и “почва-кровля” [18].
Л
/ \
/ \
/ \ / \ ■ ■ ■ ■ -2001 г. — ±- -2002 г. — •- -2003 г.
* / '
■ ' \ 1 х
»--^—.—,—і—,—■——.
123456789 10
Номера интервалов
Бр іпї
Горизонт -280, орт 8, частота 10 кГц
Номера интервалов
Г оризонт -280, орт 8, частота 5 кГц
Номера интервалов
Горизонт-350, орт 19, частота 20 кГц
Номера интервалов Горизонт -350, орт 19, частота 5 кГц
Номера интервалов
Рис. 3. Распределение поинтереальной интенсивности зон дезинтеграции в почве выработок третьей группы устойчивости
Представляет интерес проанализировать результаты нескольких циклов электромагнитного мониторинга массива удароопасного Таш-тагольского подземного рудника, проводимого в 2000, 2001, 2002, 2003 гг. в течение августа месяца в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубине от 540 до 750 м с целью выявления морфологии зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве в массиве горных пород, находящегося под интенсивным техногенным влиянием и влиянием естественного поля напряжений.
Система многоуровневых электромагнитных индукционных частотно - геометрических исследований, проведенных в шахте в 20002003 гг., имела вид:
Схема 1.
Горизонт Выработки
-140
-210
-280
-350
3
2 4
С использованием математического аппарата интерпретации данных электромагнитных исследований [1,4-5] была проведена количественная интерпретация, результатом которой является построение объемной геоэлектриче-ской модели массива на четырех горизонтах, которая представляет собой блоковый разрез с неоднородностями меньшего ранга. Эти неоднородности описываются параметром М0, являющийся эквивалентным моментом сингулярного источника электрического типа (токовая линия), пропорциональный контрастности проводимости в локальной зоне неоднородности и во вмещающей среде, длине токовой линии и зависящий от частоты в случае вложенности строения выделенной локальной зоны.
В этой работе анализируется интегральный параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, выявленных по данным электромагнитного индукционного мониторинга:
18 19 20
№ 1-я группа 2-я группа 3-я группа
1 Горизонт-140, ортЗ Горизонт -210, орт2 Горизонт -210, орт 8
2 Горизонт -350, орт 20 Горизонт -350, орт 18 Горизонт -280, орт8
3 Горизонт -210, орт4 Горизонт -350, орт 19
%
8рШ(, N, Т) = £ М 0 /=1
где N - номер интервала, на которые разбивается подпочвенное выработочное пространство: N = 1 (0-1 м), N = 2 (от 1 до 2 м), N = 3 (от 2 м до 3 м), N = 4 (от 3 до 4 м), N = 5 (от 4 м до 5 м), N = 6 (от 5 до 6 м), N = 7 (от 6 до 7 м), N = 8 (от 7 до 8 м), N = 9 (от 8 до 12 м), N = 10 (от 12 до 17 м), Т- циклы измерений: Т = 1 (2000 г.), Т = 2 (2001 г.), Т = 3 (2002 г.), Т = 4 (2003 г.), к№-количество выделенных неоднородностей в пределах интервала N по всей длине выработке.
На рис. 1-3 представлены распределения этого параметра для ортов, указанных в схеме 1 для трех частот 20, 10, 5 кГц. Анализируя эти результаты можно разбить эти орты на три группы, обращая внимание только на количественные значения $рт1(у N, Т ): 1-ая группа -до 30, 2-я группа от 30 до 40, 3-ья группа - более 40.
Структура массива 1-ой группы (рис.1), не зависимо от глубины залегания орта, характеризуется установлением устойчивой упорядоченности распределения параметра
8р1п1{N, Т) от контура вглубь почвы, особенно это характерно для 4 орта -210 горизонта, где были предприняты повторные измерения в течение трех последних лет, а для 2004 г., измерения проводились до и после массовых взрывов. В свою очередь 4-ый орт проходит по охранному целику, наши результаты исследования свидетельствуют об устойчивости его состояния.
Распределение параметра ^р1М(уN, Т ) Для массива второй группы (рис.2) характеризуется ежегодным изменением своей упорядоченности по интервалам от контура выработки
1. Дискретные свойства геофизической среды. -М.:Наука. - 1989. - C. 173.
2. Дружинин B.C., Каретин Ю.С., Песковский ИД. К вопросу об оценке эффективности наземной геофизической информации о строении континентальной земной коры по данным бурения Уральской и Тюменской сверх-
вглубь почвы, при этом имеет место частотная несогласованность этих изменений, однако амплитуда изменений ограничена. По всей вероятности состояние этого массива можно характеризовать как квазиустойчивое.
Для массива третьей группы (рис. 3) особенности распределение параметра
8р1П1{N, Т), указанного для массива второй группы только увеличиваются по своей амплитуде, а массив можно характеризовать как потенциально неустойчивый. Надо сказать, что в 2002, 2003 гг. наиболее сильные динамические проявления имели место именно вблизи 8-ых ортов -210 и -280 горизонтов, орт 19 горизонта -350 также характеризуется своей аномальностью.
Таким образом полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- массив горных пород представляет
многоранговую иерархическую структуру, изучения динамики состояния и его структуры можно вести лишь с помощью геофизических методов, настроенных на такую модель среды.
- использование попланшетной многоуровневой индукционной электромагнитной методики с контролируемым источником и соответствующей методики обработки и интерпретации позволило выявить зоны дезинтеграции, являющиеся индикатором устойчивости массива
- введение нового интегрального параметра поинтервального распределения интенсивности зон дезинтеграции позволяет перейти к детальной классификации массива по степени устойчивости и ввести для этого количественные критерии.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
глубоких скважин. Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон. Петрозаводск. Материалы восьмой Международной конференции 2002. - С. 87-90
3. Караев Н.А., Рабинович Г.Я. Рудная сейсморазведка. М.ЗАО. ”Геоин-форммарк”, 2000. - С. 468.
4. Караев Н.А. Сейсмическая гетерогенность земной коры и проблемы интерпретации результатов региональных наблюдений в “ближней” зоне. Неклассическая геофизика. Саратов 2000. - С. 30-32.
5. Кашубин С.Н. Сейсмическая анизотропия и эксперименты по ее изучению на Урале и ВосточноЕвропейской платформе. Екатеринбург. Институт геофизики УрО РАН, 2001. - С. 181.
6. Курленя М.В., Опарин В.Н. Современные проблемы нелинейной геомеханики. Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 1999. - С. 5-20.
8. Николис Г., Пригожим И. Самоорганизация в неравновесных системах - М.Л Мир 1979, 300 с.
9. Оболенцева ИР., Чичинина Т.И. Пространственная дисперсия и ее проявления в сейсмических волновых полях. Неклассическая геофизика. Саратов 2000. - С. 3739.
10. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск СО АН СССР Наука. 1985. - С. 226.
11. Родионов В.Н., Сизов И.А., Кочарян ГГ. О моделировании природных объектов в геомеханике. Дискретные свойства геофизической среды. - М.: Наука. -1989. - С. 14-18.
12. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. - М.: Наука. - 1987. - С. 98.
13. Страхов В.Н. Научное мировоззрение 1,11. Геофизика. 1993, №1, 1994, №1, С. 9-21.
14. 300 лет горно-геологической службе России. Тезисы докладов Международной геофизической конференции. 2000. С. 738.
15. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Опыт площадных индукционных исследований резко неоднородных гео-электрических сред.// Физика Земли,1997, N5, с.60-64.
16. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование трехмерной методики индукционных электромагнитных исследований строения горных массивов.// Физика Земли, 1999, №6, с. 61-65.
17. 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.
18. Шаров В.И., Солодилов Л.Н. Идеи синергетики в геофизике. Мода или реальная необходимость? Неклассическая геофизика. Саратов 2000. - С. 12.
19. Шемякин Е.И, Фисенко ГЛ., Курленя М.В., Опарин В.Н. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок. ДАН СССР, 1986, Т.289, №5.
20. Шемякин Е.И, Курленя М.В., Опарин В.Н. и др. Открытие №400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок. БИ 1992, №1.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------------
Хачай Ольга Александровна -доктор физико-минералогических наук, главный научный сотрудник, зав. гр. СЭМИ, Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург.
Новгородова Елена Назаровна - научный сотрудник гр. СЭМИ, Институт геофизики УрО РАН.
Хачай Олег Юрьевич - магистрант математико-механического факультета Уральского государственного университета.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ОАО «НПО «БУРЕНИЕ»
КОШЕЛЕВ Владимир Николаевич Научные и методические основы разработки и реализации технологии качественного вскрытия продуктивных пластов в различных горно-технических условиях 25.00.15 Д.т.н
ОМЕЛЬЯНЮК Максим Витальевич Разработка технологии гидродинамической кавитационной очистки труб от отложений при ремонте скважин 25.00.15 05.02.13 к.т.н.
