Опыт построения объемных геоэлектрических моделей по многоуровневым электромагнитным исследованиям на шахтах различного вещественного состава Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова, 2002

УДК 538:539.219.2:622.831

О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова

ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПО МНОГОУРОВНЕВЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ НА ШАХТАХ РАЗЛИЧНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА

роблема прогноза и предотвращения динамических явлений зависит от степени настроенности системы мониторинга, включающего геофизические, геологические и геомеханиче-ские исследования, на сложность и степень нестационарно-сти структуры и состояния массива горных пород. В Институте геофизики УрО РАН совместно с Институтом горного дела УрО РАН разработаны основные принципы геомехани-ческого и геофизического мониторинга для изучения напряженного состояния локальных неоднородностей в массиве горных пород, которые являются зонами его потенциальной неустойчивости. Идейным вдохновителем и руководителем этой работы был д.т.н., профессор Н.П. Влох.

Разработанная новая комплексная объемная методика электромагнитных индукционных и сейсмических (в динамическом варианте) исследований, 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

П нашли свое подтверждение в геологических и гео-механических данных [1-2]. Высокая точность предлагаемого подхода обеспечивается

стью использования объемных систем наблюдения, в рамках имеющихся разноуровневых выработок. В ях шахты «Магнезитовая» (г. Сатка) при достаточно коомной вмещающей неоднородности среде удалось зовать итерационный алгоритм подбора параметра трической неоднородности в рамках объемной нитной методики с учетом бокового влияния и «почва-кровля» [3].

Шахта Березниковского подземного рудника (БПКРУ-4) представляет собой идеальный вариант для реализации гоуровневых индукционных электромагнитных

ний в силу имеющейся геометрии расположения выработок (рис. 1), позволяющей максимально определенно восстановить и контролировать структуру и состояние изучаемого участка массива. Нами был разработан новый итерационный алгоритм определения геоэлектрических параметров вмещающего разреза с одновременным использованием электромагнитных данных двух горизонтов и определения местоположения и геоэлектриче-ских параметров зон неоднородности массива вышележащей надсолевой толщи, подсолевого горизонта и меж-выработочного пространства в пределах расположения обследованных выработок.

Получены распределения среднего параметра геоэлек-трической неоднородности по данным попланшетной электромагнитной съемки, адаптированной к условиям исследований в шахтных выработках, проведенных на горизонтах АВ и Красный II на пяти частотах в диапазоне 5-80 кГц (профили наблюдения располагались от устья к забою выработки). В выработке 34 (рис. 1) на обоих горизонтах наблюдается регулярное увеличение по уровню от самой высокой частоты (80 кГц) до самой низкой частоты (5кГц) значений среднего параметра геоэлектрической неоднородности. Это обычно, [1], является свидетельством влияния трещинной влагонасыщенности массива, однако абсолютные значения этого параметра по выработке 34 не велики, поэтому на момент проведения электромагнитной съемки этот участок горного массива, по всей вероятности, находился в нормальном состоянии по влагонасыщенности. Степень отклонения от него может быть только определена путем повторных электромагнитных наблюдений. В выработках 36 (рис. 1) вырос диапазон изменения среднего параметра геоэлектри-ческой неоднородности только в пределах аномальных зон, связанных с контактами блоков различной проводимости. Наблюдается погоризонтная унаследованность этих контактов.

Рис. 2. Объемная геоэлектрическая модель, построенная по результатам интерпретации данных двухуровневых электромагнитных наблюдений на шахте БПКРУ-4 (Частота 40 кГц): 1-6 - выделенные зоны геоэлектрической неоднородности с различной контрастностью по проводимости с вмещающей средой; 1 - М0 < 0.03; 2 - 0.03 < М0 < 0.05; 3 - 0.05 < М0 < 0.1; 4 - 0.1 < М0 < 0.3; 5 - 0.3 < М0 < 0.5; 6 - М0 > 0.7; где М0 - коэффициент, пропорциональный контрастности проводимости и длине зоны неоднородности.

Сплошные кривые - распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности (5) вдоль соответствующих выработок.

На рис. 2 изображены два среза объемной геоэлектриче-ской модели для объема горного массива, заключенного между 34 и 36 выработками и 30м вверх от кровли горизонта АВ и 30 м вниз от почвы горизонта Красный II. Эти модели строились отдельно для каждой частоты, начиная с 80 кГц и последовательно понижая частоту до 5 кГц. Информация о геоэлектрических параметрах модели более высокой частоты использовалась в качестве начального приближения для построения следующей модели на более низкой частоте. Ввиду довольно низкого сопротивления вмещающей среды для построения более подробной объемной геоэлектрической модели необходимо проведение дополнительных аналогичных исследований в выработках 34 и 36 (правый ход) (рис. 1).

С помощью построенной объемной модели удалось получить следующие новые результаты о строении исследуемого участка массива:

- в надсолевой толще в пределах до 9м от кровли выработок 34 и 36 имеются локальные зоны от 10 до 15 м, которые можно интерпретировать как зоны трещиноватости с повышенной влагонасыщенностью. Эти зоны могут быть зонами потенциальной неустойчивости, за ними необходимо вести мониторинговые исследования, используя примененн-ную методику;

- выше 9 м в надсолевой толще обеих выработок имеется вставка более низкого сопротивления, к устью и забою выработок сопротивление понижается, приближаясь к значению в слое до 9 м;

- в межвыработочном пространстве в выработках 36 имеется блоковость с регулярным уменьшением сопротивления к забою. В подсолевой толще наблюдается более сложное блоковое строение, нежели в надсолевой толще, однако в целом сопротивление среды выше, чем в надсолевой толще.

Геологические данные по трем картировочным скважинам были нам любезно предоставлены главным геологом БПКРУ-4 В.И. Платыгиным. Из описания керна следует, что массив неоднороден по своему строению. Так в надсо-

Рис. 3. Геологические разрезы по скважинам № 1016, № 1017, № 1018: 1 - сильвинт красный, розовый мелко- и среднезернистый с прослоями каменной соли и глины; 2 - каменная соль серая, розовая, темно-серая, разнозернистая, перистая, участками шпатовая, с прослоями глины, глинисто-ангидритовыми прослоями и с прослоями или вкрапленностью красного сильвинита; 3 - сильвинит пестрый, сложен белым, красным сильвином, каменной солью и прослоями глины; 4 - сильвинит полосчатый, сложен чередованием прослоев сильвинита красного, розового среднезернистого, каменной соли серой, розовой, голубой разнозернистой и глины; 5 - карналлитовая порода, желтая, прозрачная, с прослоями каменной соли и глины

левой толще в направлении от устья выработки к забою происходит замещение сильвинитового слоя карналитовым. Это происходит на базе 190 м (рис. 3). В подсолевой толще в направлении от 36 выработки к 34 у забоя на базе 281 м происходит замещение красного сильвинита на каменную соль. Происходит это в виде резких контактов или посте-

пенно - на этот вопрос могут дать ответ геофизические исследования. Для более подробной привязки полученной геофизической информации к геологической следует провести геофизические исследования непосредственно вблизи скважин.

Информация предоставлена подземной геологоразведочной партией п. о. «Уралкалий».

Таким образом, проведенные геофизические исследования в шахте соляного массива показали, что этот массив горных пород является также сложноблоковой иерархической средой с локальными неоднородными зонами повышенной трещиноватости и влагонасыщенности. На исследо-

ванном участке эти зоны располагаются в пределах 9м в надсолевой толще, в межвыработочном пространстве между горизонтами АВ и Красный II, а также и в подсолевой толще. Распределение этих зон в пределах шахтного поля -важная информация для безопасной отработки месторождения.

Поведение этих зон во времени, динамика их состояния является важной информацией для управления процессом отработки.

Первые экспериментальные работы по настройке системы геофизического мониторинга на массив соляных пород показали эффективность, высокую разрешающую способность и технологичность применяемой комплексной 3-Э методики по восстановлению геоэлектрического строения соляного массива горных пород в рамках объемной геоэлек-трической иерархично-блочной модели.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1Хачай 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, 1999, с.363-367.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

2Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Картирование и идентификация зон нарушенно-сти массивов горных пород, различающихся по вещественному составу, электромагнитным методом//Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. №6, 2000, с. 159-163.

ЗХачай 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.

Хачай О.А., Новгородова Е.Н. - Институт геофизики УрО РАН, г. Екатеринбург.