CC BY
10
УДК 622. 831.32:621.317.42
Хачай Ольга Александровна,
доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник,
Институт геофизики
им. Ю.П. Булашевича УрО РАН,
620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 100
е-шаЛ: olgakhachav@vandex.ru
Khachay Olga A.
Dr. of physical and mathematical sciences,
chief researcher,
The Institute of geo-physics
in honor of Yu.P. Bulashevich, UB RAS,
620016, Yekaterinburg, 100, Amundsen st.
e-mail: olgakhachay@yandex.ru
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ УДАРООПАСНОГО МАССИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
ESTIMATION
OF THE SHOCK-HAZARDOUS ROCK MASS STATE USING THE SYSTEM OF ELECTROMAGNETIC INDUCTION MONITORING
Аннотация
Настоящая работа посвящена результатам геофизических исследований, представляющих собой электромагнитные индукционные частотно-геометрические исследования с использованием объемной индукционной методики. Ранее данная методика хорошо зарекомендовала себя при изучении строения и состояния удароопасных массивов горных пород различного вещественного состава, в частности на магнетитовых шахтах Таштагол и Естюнин-ская. Здесь изложены результаты опробования методики в новых геолого-геофизических условиях полиметаллического рудника для выявления зон и оценки степени их потенциальной неустойчивости, определения их состояния и потенциальной опасности путем сопоставления друг с другом их различных участков, расположенных на разных горизонтах. Проведенные исследования показали, что задача объемного картирования зон дезинтеграции в качестве индикаторов зон потенциальной неустойчивости массива и блоковых структур в кровле и почве решается экспрессно и с высокой достоверностью и надежностью.
Ключевые слова: удароопасный массив, система мониторинга, электромагнитный, индукционный, Николаевский рудник
Abstract
The present paper is devoted to the results of geophysical researches based on electromagnetic induction frequency-geometrical studies applying volume induction technique. Earlier this technique showed good results by studying the structure and state of shock-hazardous rock mass of different material composition, in the Tashtagol and Estuninskaya magnetite mines in particular. Here the results of testing this technique in new geological and geo-physical conditions of a poly-metallic mine are set out for revealing zones and estimation the degree of their potential non- stability, their state and potential hazard estimation by matching with each other their different sites located in different horizons.
Carried out researches showed that the task of volume mapping disintegration zones as indicators of potential rock mass non- stability zones and block structures both in the roof and soil is solved expressively and with high reliability and accuracy.
Key words: shock-hazardous rock mass, system, monitoring, electromagnetic, inductive, the Nickolaevsky mine
В мае 2005 г. Институт геофизики УрО РАН впервые на шахте Николаевского рудника (г. Дальнегорск) провел геофизические исследования на горизонтах -320, -332, -348, -277 по системе, используемой на Таштагольском руднике и Естюнинской шахте (г. Н.Тагил) и с тем же комплектом аппаратуры [1 - 5]. Исследования проводились с целью выявления зон потенциальной неустойчивости, определения их состояния и потенциальной опасности в сопоставлении друг с другом на различных горизонтах и расположенных в разных участках рудного поля для продолжения отработки месторождения. Наблюдения проводились также вблизи датчиков сейсмологических и сейсмоаку-стических исследований. Полученные результаты показали возможность проведения таких исследований в шахте Николаевского рудника для предварительного изучения состояния массива перед массовыми взрывами.
Описание и результаты экспериментов
Электромагнитные индукционные частотно-геометрические исследования проводились на горизонтах:
-320: диагональный штрек (длина 20 пикетов, 95 м) и буровой штрек (длина 19 пикетов, 90 м);
-332: транзитный штрек (длина 22 пикета, 105 м);
-348: транзитный штрек (длина 27 пикетов, 130 м) и кольцевой штрек
(длина 17 пикетов, 80 м);
-277: участок Харьковской залежи, орт разведочный, вентиляционный штрек (длина 20 пикетов, 95 м).
\ \ ! \ \1 X.
+ + + + + + + 13 5 7 + + + у + 11 + + + + + + + 13 15 17 + + 1У
ч \ / \ \
-тектонические нарушения, "РУДа, -туфы
Рис.1 - Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности для диагонального квершлага, горизонт -320. План геолого-геомеханической информации
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 компонент переменного магнитного поля при перемещении приемника с шагом 5 м на базе 65 м и фиксированном положении источника. Затем источник перемещался через 15 м по профилю и цикл измерений повторялся. Методика измерений была той же, что и при проведении аналогичных исследований на удароопасных шахтах Таштагола и Естюнихи с целью сопоставления и выявления общих признаков реакции массивов различного вещественного
состава на техногенные воздействия. Проведенные исследования являются первым циклом мониторинговых исследований, которые позволяют получить полную пространственную картину состояния массива непосредственно вблизи зоны его отработки. В качестве параметра, характеризующего степень неоднородности массива, используется
средний параметр геоэлектрической неоднородности 8 , определяемый как арифметическое среднее суммы отношений модулей двух горизонтальных компонент магнитного поля (поперечной к продольной относительно выработки) в каждой точке профиля при разных положениях источника возбуждения. Распределения параметра геоэлектрической неоднородности, зафиксированные на пяти частотах, приведены в качестве примера на рис. 1. Эти распределения дополнены геологической информацией о контактах руды и вмещающих пород и наличии трещин и тектонических нарушений.
На рис. 1 приведено распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности для диагонального квершлага, горизонт -320. На первом пикете имеет место значительная аномалия этого параметра, превышающая фоновый уровень на частоте 5.08 кГц примерно в 10 раз. Это может быть вызвано локальной зоной трещиноватости со значительной влагонасыщенностью. Расположение этой аномалии совпадает с зоной тектонических нарушений, имевших место на геологическом плане этого горизонта. Выявлена еще одна зона трещиноватости в районе пикетов 14 - 18. Она также совпадает с зоной трещиноватости в пределах контакта руды и туфов. Эта аномалия менее значительная; забегая вперед, отметим, что картированная аномалия в зоне сочленения двух штреков (диагонального и бурового) является самой большой по абсолютному значению. Еще одна аномалия выделена на пикете 7. В остальных точках профиля наблюдаются фоновые значения параметра геоэлектрической неоднородности в пределах 400 -500. Анализ распределения среднего параметра геоэлектрической неоднородности позволяет очень оперативно выявить зоны неоднородности массива, которые могут быть связаны с зонами породных контактов, с зонами трещиноватости или зонами потенциальной неустойчивости, связанными с зонами дезинтеграции.
Результаты интерпретации данных электромагнитного индукционного исследования
Анализируя новую информацию о геоэлектрическом строении диагонального штрека горизонта -320 (рис. 2), можно отметить, что практически на всех частотах выделяется дискретная дезинтеграционная структура (пикеты 1 - 10), которую можно было видеть и на других удароопасных шахтах, например в Таштаголе.
Вторая половина профиля содержит более закрытые трещинные зоны, свидетельствующие о неоднородности распределения действующих горизонтальных напряжений. В кровле также содержатся локальные дезинтеграционные зоны, расположенные ближе к кровле. Разрез по буровому штреку (горизонт -320) также в начале профиля содержит протяженную зону дезинтеграции подобной морфологии. Транзитный штрек (горизонт -332) имеет зоны дезинтеграции, продолжающиеся из кровли в почву, что может влиять на устойчивость массива, особенно в пределах пикетов 9 - 22. Транзитный штрек горизонта -348 характеризуется не только наличием многочисленных околоконтурных зон дезинтеграции, но и общей блоковостью массива, в отличие от остальных и предыдущих штреков, где вмещающая среда практически не отличалась большой неоднородностью по сопротивлению. Кроме того границы блоков смещаются в разрезе по частоте, что может означать дополнительное влияние водной составляющей в гигроскопических известняках. Разрез кольцевого штрека характеризуется наличием большого количества зон дезинтеграции не только в почве, но и в кровле (пикеты 10 - 17). Разрез Харьковского участка демонстрирует наличие дезинтеграционной зоны в пределах пикетов 2 - 9, и дальше в почве есть зона отсутствия трещин, все они находятся в кровле. Участок профиля 9 - 14 может быть участком потенциальной опасности, желательно в этом месте закрепить кровлю.
ЕЭ1 -
а
4«
4 71
4tl
№
D ID SD JD 1SD II» 5DO IHD 5DDO ■ Duee (Ов-в)
От
■ El ЕЕ .1
.1 -.1
1D ■ Duee
D ID SD ID 15D IDO 5 DO 1DDD 5DD0 ■ DUII (Olí)
Рис. 2 - Геоэлектрический разрез по диагональному квершлагу, горизонт -320: а - частота 81.25 кГц, б - частота 5.08 кГц
Проведенные исследования показали, что задача объемного картирования зон дезинтеграции как индикаторов зон потенциальной неустойчивости массива и блоковых структур в кровле и почве решается экспрессно и с высокой достоверностью и надежностью. Однако информация о продольной проводимости блоковых структур является недостаточной при изучении изменений состояния массива. Необходимо учитывать информацию о морфологии и интенсивности зон дезинтеграции.
Анализ поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции
Аналогично [4] используется интегральный параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, выявленных по данным электромагнитного индукционного
К ~
мониторинга, = £ М10 . N - номер интервала, на которые разбивается подпочвенное г = 1
выработочное пространство: N1 (0 - 1 м), N2 (от 1 м до 2), N3 (от 2 м до 3), N4 (от 3 м до 4), N5 (от 4 м до 5), N6 (от 5 м до 6), N7 (от 6 м до 7), N8 (от 7 м до 8), N9 (от 8 м до 12), N10 (от 12 м до 17), К - количество выделенных неоднородностей по всей длине выработки.
з »
номера ннтер валов от контура в почве
Рис. 3 - Распределение поинтервальной интенсивности для пяти частот: а - кольцевой штрек, горизонт -348 м; б - транзитный штрек, горизонт -332 м; в - участок Харьковской залежи, горизонт -277 м
Анализ параметра для кольцевого и транзитного штреков горизонта -348 показывает (рис. 3, а), что для кольцевого штрека интенсивность этого параметра меньше в 3 - 4 раза, чем для транзитного штрека, но для кольцевого штрека возможно отслоение подпочвенного контура, что не наблюдается в массиве транзитного штрека. Наиболее явно это проявляется для транзитного штрека, горизонт -332 (рис. 3, б). Начало этого процесса в массиве диагонального штрека. Наименьшая частотная дисперсия отмечена в распределении параметра для профиля Харьковского участка (рис. 3, в). Полученные результаты следует рассматривать как первый этап изучения динамики состояния массива. Выявленные особенности характеризуют массив как неоднородный по своей структуре, так и по распределению действующих напряжений и реакции массива на их влияние. Характеристика степени устойчивости массива может быть получена в результате повторных электромагнитных исследований, по которым может быть сформулировано и классификационное разделение соответствующих участков массива на устойчивый, квазиустойчивый и неустойчивый, аналогично [5].
Заключение
Состояние массива горных пород определяется не только напряженно-деформированным состоянием, но и его фазовым состоянием, т.е. наличием жидкой и газообразной фаз в трещиновато-пористых локальных зонах, на границах которых и наблюдается градиент напряжений и деформаций. Этот процесс, вообще говоря, может происходить несинхронно во времени, при этом причина и следствие в виде изменения трещиновато-сти, влагонасыщенности и деформируемости могут меняться местами. Примененная система мониторинга в условиях массива шахты Николаевского рудника является полезной потому, что позволяет с высокой разрешающей способностью картировать изменение структуры массива с учетом его фазового состояния. Использование этой методики позволяет делать прогноз тенденции изменений в массиве, а также увеличения или отсутствия потенциально опасных зон в массиве. Наибольшую опасность они представляют, когда 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.
Работа выполнена при участии Шагабутдинова В.Х. и Новгородовой Е.Н. Институт геофизики УРО РАН.
Литература
1. Хачай О.А. Новая методика обнаружения зон дезинтеграции в околовырабо-точном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава / О.А. Хачай, Е.Н. Новгородова, О.Ю. Хачай // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 11. - С. 26 - 29.
2. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели / О.А. Хачай // Геомеханика в горном деле. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003. - С. 30 - 38.
3. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологической гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной иерархической модели / О.А. Хачай // Российский геофизический журнал. - 2004. - № 33 - 34. - С. 32 - 37.
4. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород / О.А. Хачай и др. // Физика Земли. - 2001. - № 2. - С. 85 - 92.
5. Хачай О.А. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии / О.А. Хачай // Физическая мезомеханика 7. - Спец. выпуск. - Ч.2. -2004. - С. 292 - 295.
