CC BY
18
© О.А. Хачай, Т.А. Хинкина,
О.Ю. Хачай, 2002
УДК 538:539.219.2:622.831
О.А. Хачай, Т.А. Хинкина, О.Ю. Хачай
ОТРАЖЕНИЕ ДИНАМИКИ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МНОГОУРОВНЕВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В УДАРООПАСНОЙ ШАХТЕ (ТАШТАГОЛ)
С, остояние массива горных пород определяется не только напряженно-деформированным состоянием, «'а и его фазовым состоянием, т.е. наличием жидкой и газообразной фазы в трещиновато-пористых локальных зонах, на границах которых и наблюдается градиент напряжений и деформаций. Этот процесс, вообще говоря, может происходить не синхронно во времени, при этом причина и следствие в виде изменения трещиноватости, влагонасы-щенности и деформируемости могут меняться местами.
Изучение этого процесса можно осуществить в рамках многоуровневой электромагнитной индукционной методики, разработанной в ИГФ УрО РАН [1]. Настоящая работа посвящена анализу результатов мониторинга в удароопасной шахте Таштагольского подземного рудника с использованием этой методики.
Наблюдения проводились в августе 2000 г. и в августе 2001 г. Методика наблюдений строго совпадала с примененной в 2000 г. Точки наблюдения находились на пикетах 2000 г. за исключением тех выработок, которые были обследованы впервые в 2001 г. и тех участков выработок 2000 г., которые были добавлены для изучения.
Система многоуровневых электромагнитных индукционных частотно - геометрических исследований имела вид:
Схема 1а (2000 г.)
Г оризонт Выработки
-140 3
-210 2 4 8
-280 8 20
-350 18 19 20
Схема 1б (2001г.).
Горизонт Выработки
-140 3
-210 2 4 8
-280 8
-350 18 19 20 ЮСВО ВВШ
Профили наблюдений проходили вдоль выработок, практически по центру, источник возбуждения (вертикальный магнитный диполь) находился в той же выработке, что и приемник. Один цикл наблюдений включал в себя многочастотные (на частотах от 5 до 80 кГц) измерения модулей двух горизонтальных и вертикальной компоненты переменного магнитного поля при перемещении приемника с шагом 5 м на базе 65 м и фиксированном положении источника. Затем источник перемещался через 15м по профилю, и цикл измерений повторялся.
Эта система в отличие от [1] не является полной для построения гео-электрической модели месторождения в целом, однако результаты, полученные в рамках этой системы, позволяют дать оценку строения и состояния месторождения на левом фланге, в центре и на его правом фланге (схемы 1а,б).
В качестве параметра, характеризующего степень неоднородности массива, используется средний параметр геоэлектрической неоднородности (5 ), используемый в [1, 2] и определяемый как арифметическое среднее от суммы отношений модулей двух горизонтальных компонент магнитного поля (поперечной к продольной) в каждой точке профиля при разных положениях источника возбуждения. Как и в 2000 г. [2] для характеристики степени неоднородности выработки в целом на профиле наблюдения проинтегрируем среднее значение параметра гео-электрической неоднородности по профилям вдоль соответствующих выработок, представленных на схемах 1 а,б.
Схема 2а. Распределение интегрального параметра гео-электрической неоднородности на частоте 5 кГц. (по данным 2000 г.)
Горизонты Выработки
-140 1472%
-210 1198% 909% 1029%
-280 840% 1416%
-350 1291% 870% 1562%
Схема 3а. Распределение интегрального параметра гео-электрической неоднородности на частоте 80 кГц. (по данным 2000 г.)
Горизонты Выработки
-140 554%
-210 619% 858% 860%
-280 897% 941%
-350 1358% 2218% 1198%
Схема 2б. Распределение интегрального параметра гео-электрической неоднородности Sg на частоте 5 кГц (по данным 2001 г.).
Горизонты Выработки
-140 2873%
-210 1914% 1148%(1013%,1138%) 1544%
-280 1277%
-350 2732% 1013% 3286% 1048% 1297%
Схема 3б Распределение интегрального параметра гео-электрической неоднородности Sg на частоте 80 кГц (по данным 2001 г.).
Горизонты Выработки
-140 1326%
-210 656% 904%(666%,685%) 915%
-280 898%
-350 1437% 1796% 1450% 1194% 1982%
Анализ результатов, изложенных в схемах 2(а,б) и 3(а,б) показал, что интегральный параметр геоэлектрической неоднородности зависит от частоты наблюдения. Этот же эффект был установлен и по результатам исследований 2000г
[2]. Как показано в [1], такие эффекты характерны для трещиноватых массивов.
Схема 4. Изменение значения интегрального параметра геоэлектрической неоднородности в зависимости от частоты (2000 г.)
А % = 85 (f = 5кгц) - 8^(/ = 80кгц).
Горизонты Выработки
-140 918%
-210 579% 51% 169%
-280 -57% 475%
-350 -67% -1348% 364%
Схема 5. Изменение значения интегрального параметра геоэлектрической неоднородности в зависимости от частоты (2001 г.)
А % = % (f = 5кгц) - 85 (/ = 80кгц).
Горизонты Выработки
-140 1547%
-210 1258% 244% (347%,453%) 629%
-280 379%
-350 1295% -783% 1836% -146% -685%
Анализ результатов, приведенных в схемах 4-5, показывает, что массив по степени трещиноватости сильно не однороден, так в 2000 г. массив на горизонтах -280 и -350 в околовыработочном пространстве ортов 8, 18 и 19 содержал менее проницаемых влагонасыщенных трещин, причем состояние 8 и 18 ортов было примерно одинаково, в то время как массив в пределах 19 орта представлял собой малорастрескан-ный монолит. В 2001 году произошли существенные изменения во всех обследованных выработках, однако по аномальному состоянию влагонасыщенной трещиноватости можно выделить снова орт 19 и ЮСВО и ВВШ, причем ближе по своему состоянию являются орты 19 и ВВШ, горизонт -350.
Для прогноза состояния и возможных катастрофических явлений в горном массиве важную роль играет изучение динамики параметров массива, характеризующих его потенциальную неустойчивость.
Схема 6. Изменение А 85 за период 2000-2001 г.
(ААSg = АЯд (2001г.) - АЯд (2000г.))
Горизонты Выработки
-140 627%
-210 679% 193% (296%,402%) 460%
-280 436%
-350 1362% 565% 1472%
Из анализа результатов, представленных на схеме 6, мы видим, что в пределах околовыработочного пространства орта 4, горизонта -210 наблюдается минимальная годовая скорость изменения параметра А 85 , характеризующего
проницаемость массива, связанная с процессом растрескивания. Наибольшая скорость наблюдается в ортах 18 и 20 горизонта -350. Отсюда можно сделать пока осторожный вывод о том, что за этими двумя участками массива следует вести наиболее тщательное наблюдение, чтобы связать тенденцию неустойчивого поведения массива с измеряемыми характеристиками электромагнитного индукционного мониторинга.
В [2] было произведено сопоставление распределения среднего параметра геоэлектрической неоднородности с геологической информацией, любезно предоставленной со-
трудниками геологического отдела Таштагольского подземного рудника. В настоящей работе аналогичное сопоставление проведено только для дополнительных ортов ЮСВО и ВВШ. Представляет интерес отметить, что картируются не только зоны контактов с сиенитами, дайками, но и трещиноватые зоны, связанные с несогласованной слоистостью известняков. Важно отметить, что известняки в околовыра-боточном пространстве ЮСВО менее растресканы и влагонасыщены, нежели сланцы ВВШ.
С использованием математического аппарата интерпретации данных электромагнитных исследований [1,3] была проведена количественная интерпретация, результатом которой является построение объемной геоэлектрической модели массива. Разрезы, изображенные на вставках (рис.1(а-б)) могут быть распространены влево и вправо от центра орта на 15м. Локальные неоднородности изображены в нижней части (под выработкой). Однако их положение (верх, низ) может быть однозначно зафиксирова-но только при условии комплексирования с сейсмическими наблюдениями. Сейсмические исследования, проведенные в 2000 году и результаты их интерпретации позволяют сделать предварительный вывод о том, что большинство зон локальных неоднородностей находятся в почве, либо распределены симметрично в почве и кровле.
Условные обозначения: 1-5 - сингулярные источники (токовые линии конечной длины), эквивалентные по полю влиянию зон геоэлектрической неоднородности;
1)источники с суммарным эквивалентным моментом 0.5 <
М о < 2; 2) 2 < М 0 < 4;
3) 4 < М 0 < 6; 4) 6 < М 0 < 10; 5) М 0 > 10; где
М 0=М(^0х103, М0 - коэффициент, пропор-циональный отношению разности проводимостей во вмещающей среде и во включении к проводимости во вмещающей среде, L0 -длина токовой линии.
Орт 19 (рис. 1б) отличается от остальных закономерным распределением локальных неоднородных зон, которые можно объединить в некую линию, начинающуюся в пределах 15 пикета в метре от почвы и погружающуюся к началу выработки. Эта линия может быть проекцией возможной плоскости скольжения. Это же явление, но в меньшей степени имеет место в орту 8, горизонт -210. У орта 2, гори-
зонт -210 наблюдается такая линия в противоположную сторону (к забою) от 10 пикета, погружающаяся к 20 пикету. Выявление таких линий чрезвычайно важно для установления потенциальных зеркал скольжения, вдоль которых может произойти смещение массива на большой базе, что может привести к общей неустойчивости массива. При сравнении с результатами интерпретации данных 2000 г. видно, что эти линии стали проявляться более явно к 2001 г. В орту ВВШ имеется сложное сочетание двух линий, отмеченных в ортах 8 и 19, (направленные с погружением на восток и на запад). Более точную прогностическую информацию о
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДВУХ ЦИКЛОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА ТАШТАГОЛЬСКИЙ ПОДЗЕМНЫЙ РУДНИК
N Горизонт Орт Глубина Год и частота исследований
2000г. 5кГц 2001г. 5кГц 2000г. 10кГц 2001г. 10кГц 2000г. 20кГц 2001г. 20кГц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 -140 3 До 1м 13.7 26.2 6.97 26. 5.7 18.8
1м-2м - - - 1.5 - -
2м-3м - 5. - - - -
8 13.7 31.2 2.3 6.97 27.5 5.7 18.8
82001/82000 1.39 3.94 3.29
81/87 0.8 0.52
2 -210 2 До 1м 8.76 14.6 10.6 20.8 8.09 25.8
1м-2м 0.675 19.2 1.04 9.75 0.66 5.78
2м-3м - - - - - -
3м-4м - 7.7 - 8.8 - 10.45
8 9.44 41.51 11.64 39.35 8.75 42.03
82001/82000 4.39 3.38 4.8
82/87 1.85 1.14 1.15
3 -210 8 До 1м 6. 17.9 6.04 14.8 4.6 17.5
1м-2м 0.0425 4.425 0.04 - - -
2м-3м - 6.05 - - - -
3м-4м - 0.5 - - - -
8 6.04 28.88 6.08 14.8 4.6 17.5
82001/82000 4.78 2.43 3.8
83/87 1.28 0.43 0.48
4 -210 4 До 1м 7.8 13.3 10.8 11.5 25.26 5.89
1м-2м - 5. - - - -
2м-3м - - - 0.9 - -
3м-4м - 0.975 - 1.2 - 19.9
8 7.8 19.3 10.8 13.6 25.26 25.79
82001/82000 2.47 1.26 1.02
84/87 0.86 0.4 0.71
4 -210 4 До 1м 7.8 15.2 10.8 30.4 25.26 26.5
1м-2м - 1.65 - - - -
2м-3м - - - - - -
3м-4м - - - - - 1.2
4м-5м - - - 1.5 - -
8 7.8 16.85 10.8 31.9 25.26 27.7
82001/82000 2.16 2.95 1.1
84/87 0.75 0.93 0.76
5 -280 8 До 1м 17.39 10.2 8.76 3.8 4.19 15.6
1м-2м 0.885 1.845 - 1.75 - -
2м-3м 4.56 3. 10.5 3.9 6. 6.
8 22.8 15.0 19.3 9.45 10.19 21.6
82001/82000 0.66 0.49 2.12
85/87 0.67 0.27 0.59
6 -350 18 До 1м 1.88 24.7 3.31 7.3 3.3 18.3
14п 2000 1м-2м 5.52 10.6 2.7 5.1 3.12 4.2
26п2001 2м-3м - - - 12.3 - -
3м-4м - - - - - 3.8
8 7.4 35.3 6.01 24.7 6.42 26.3
82001/82000 4.77 4.11 4.1
86/87 1.57 0.72 0.72
6 -350 18 До 1м 1.88 23.5 3.31 6.3 3.3 16.7
14п 1м-2м 5.52 6.8 2.7 3.1 3.12 1.8
2000- 2м-3м - - - 9. - -
2001гг. 3м-4м - - - - - -
«НЕДЕЛЯ Г0РНЯКА-2002» СЕМИНАР № 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
7 -350 19 До 1м 10.9 - 12.8 6.9 32.3 32.2
1м-2м 20.7 14. 22.13 2.3 0.3 0.9
2м-3м 4.56 4.3 - 25.2 1.5 3.3
3м-4м - 3.4 - - - -
4м-5м - 0.3 - - - -
5м-6м - 0.5 - - - -
S 25.26 22.5 34.93 34.4 34.1 36.4
S200l/S2000 0.89 0.98 1.07
8 -350 20 До 1м 3.22 3.3 9.82 8.4 11.2 14.1
1м-2м 6.665 16. 3.11 11.1 5.07 6.2
2м-3м 1.275 - - 2.1 - 4.4
3м-4м - 3.6 - 2.0 - -
S 11.16 22.9 12.93 23.5 16.27 24.7
S200l/S2000 2.05 1.82 1.52
S8/S7 1.02 0.68 0.68
9 -350 ВВШ До 1м - 6.5 - 14.4 - 20.8
1м-2м - - - 0.1 - 0.6
2м-3м - 4.4 - 4. - 2.3
3м-4м - - - 0.8 - 2.6
S 10.9 19.3 26.3
S9/S7 0.48 0.56 0.72
10 -350 ЮСВО До 1м - 6.8 - 12. - 12.3
1м-2м - 0.6 - - - -
2м-3м - 1.7 - 2.9 - -
3м-4м - 0.8 - 1.5 - 6.
4м-5м - - - - - -
5м-6м - 2.4 - 4.8 - -
S 12.3 21.2 18.3
Рис. 1. Объемная геоэлектрическая модель, построенная по результатам интерпретации данных многоуровневых электромагнитных наблюдений на шахте Таштагольского подземного рудника: а) 2000г.,б)2001г., частота наблюдений 5 кГц.
Рис. 2. Сопоставление геоэлектрических моделей, построенных по данным электромаг-нитного мониторинга, горизонт -210, орт 4: Частота 5 кГц. а - данные 2000 г.; б - 2001 г. - первый цикл наблюдений; в - 2001 г. - второй цикл наблюдений
Рис. 3. Сопоставление геоэлектрических моделей, построенных по данным электромаг-нитного мониторинга, горизонт -350, 2001г: Частота 5 кГц. а - ВВШ; б -ЮСВО
AS
0
Частота 5 кГц
AS
0
Частота 10 кГц
АЯ
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
0 2 4 6 8
Рис. 4. Распределение относительной суммарной интенсивности проводящих локальных зон на различных горизонтах и в различных частях шахтного поля. Промежуток времени исследования 1 год: ДБ=Б2001/Б2000.
По оси абсцисс N 1-горизонт -140, орт3; 2-горизонт -210, орт 2; 3-горизонт -210, орт8; 4-горизонт -210, орт 4; 5-горизонт -280, орт8; 6-горизонт -350, орт 18; 7-горизонт -350, орт19; 8-горизонт -350, орт 20
5
5
4
4
3
3
2
2
N
N
состоянии массива можно получить только в результате дальнейших мониторинговых исследований.
Результаты, изображенные на рис. 2, отражают динамику геоэлектрического строения массива в пределах орта 4, горизонт -210. Между наблюдениями, соответствующими разрезам б) и в) прошло менее 10 дней, между наблюдениями, соответствующими разрезам а) и б) прошел год. Локальные изменения, происходящие в массиве, скорее всего связаны с изменением степени влагонасыщенности трещиноватых зон, которые пространственно практически совпадают за двухлетний период наблюдений. Наблюдается уменьшение удельного сопротивления второго слоя под вы-
работкой (рис.2б,в), определить, с чем связан этот процесс по двухлетнему циклу наблюдений не представляется возможным.
Для исследования динамики состояния массива горных пород мы ввели новый параметр Б: суммарная интенсивность локальных зон трещиноватости. Он определяется в результате количественной интерпретации данных электромагнитного мониторинга как сумма М 0 (см. подпись к рис. 1) для всего разреза. В таблице приведены поуровне-вые значения этого параметра: до глубины 1 м, от 1 до 2 м, от 2 м до 3 м и т.д. до тех глубин, до которых встречаются локаль-
2
0
0
2
4
6
8
10
ные зоны трещиноватости, для всех обследованных ортов и горизонтов для 2000 г. и 2001 г.
Геоэлектрическая ситуация в ортах ВВШ и ЮСВО на момент наблюдений в 2001 г. такая же как для орта 20 того же горизонта в 2000 г. (рис. 3).
На рис. 4 приведено относительное распределение Б в 2001 году к Б в 2000 г. для соответствующих ортов и горизонтов. Из полученных результатов следует, что массив в околовыработочном пространстве орта 8 -280 горизонта и 19 орта -350 горизонта находится в резко отличном состоянии по влагонасыщенности и проницаемости от остальных. На рис. 5 приведено относительное
Рис. 5. Распределение относительной интенсивности локальных зон трещиноватости по результатам интерпретации пространственного электромагнитного мониторинга. (сплошная-20001г., пунктир-2000г.) (красная - 5 кГц, синяя 10 кГц, зеленая 40 кГц)
распределение суммарной интенсивности локальных зон трещиноватости во всех ортах относительно орта 19 -350 горизонта. Из полученных результатов следует, что пространственная картина распределения этого параметра на частоте 5 кГц для -140 и -210 горизонтов сильно изменилась за период 2000-2001 года, это же наблюдается и для орта 18 -350 горизонта.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что динамика физико-механического состояния массива проявляется в динамике параметров электромагнитного мониторинга, характеризующих степень влагонасыщенно-сти и проницаемости. Более явно она проявляется в характеристиках локальных зон трещиноватости. Интерпретация этой взаимосвязи возможна только в рамках пространственно - временного мониторинга.
Таким образом, примененная система мониторинга в условиях Таштагольского массива является эффективной для картирования с высокой разрешающей способностью изменения структуры массива с учетом его фазового состояния. Использование этой методики позволяет делать прогноз о тенденции изменений в массиве и увеличении или отсутствии потенциально опасных зон в массиве. Наибольшую опасность они представляют, когда они объединяются в виде связанных между собой линий скольжения. Настоящая методика позволяет их картировать. Использование ее в мониторинговом режиме позволяет в количественном отношении судить о динамике состояния массива. Для решения задачи прогноза состояния применительно к проблеме удароопасности необходимо провести по крайней мере в течение нескольких лет аналогичные циклы измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хачай О.А., Блох Н.П., Новгоро-дова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.Б. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. //Физика Земли, 2000, №12, с. 1-8.
2. Хачай О.А. Информационный отчет о геофизических работах на Ташта-гольском подземном руднике (горизонты -140, -210, -280, -350), ИГФ УрО РАН, Екатеринбург, 2001, фонды ИГФ УрО РАН.
3. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование новой трехмерной методики электромагнитных исследований строения горных массивов. // Физика Земли. 1999, №5, с. 7-12.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Хачай О.А. - доктор физико-математических наук, Институт геофизики УрО РАН. Хинкина Т.А. - мл. научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН.
Хачай О.Ю. - студент, Уральский Государственный университет, г. Екатеринбург.
