Оценка состояния удароопасного массива с использованием системы электромагнитного индукционного мониторинга (на примере Николаевского подземного рудника, г. Дальнегорск) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© О.А. Хачай, В.Х. Шагабутдинов, 2006

УДК 550.3

О.А. Хачай, В.Х. Шагабутдинов

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ УДАРООПАСНОГО МАССИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО МОНИТОРИНГА (на примере Николаевского подземного рудника, г. Дальнегорск)

Семинар № 3

Яастоящая работа посвящена

результатам геофизических исследований, выполненных в мае 2005 г. Институтом геофизики УрО РАН на Николаевском руднике (г. Дальнегорск), представляющих собой электромагнитные индукционные частотно-геометри-ческие исследования с использованием объемной индукционной методики [1]. 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 Естюнинская [2]. 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, что необходимо для безопасного продолжения отработки

месторождения.

В ходе работ было выполнено

геофизическое картирование

геологических структур и зон дезинтеграции [3] на четырех горизонтах, проанализировано местоположение зон потенциальной неустойчивости массива в

пределах участков его активной отработки.

В работе рассматриваются и сопоставляются между собой результаты исследований по четырем горизонтам Николаевского рудника:

-320: диагональный штрек (длина: 20 пикетов, 95 м) и буровой штрек (длина: 19 пикетов, 90 м;

-332: транзитный штрек (22 пикета, 105 м);

-348: транзитный штрек 27 пикетов, 130 м) и кольцевой штрек (длина: 17 пикетов, 80 м);

-277: участок Харьковской залежи, орт разведочный, вентиляционный штрек (20 пикетов, 95 м).

Стоит отметить, что профили наблюдений по трем горизонтам (-320, -332, -348) на плане расположены с небольшим сдвигом друг относительно друга. Также несколько профилей расположены друг к другу под прямым углом. Эти два фактора являются благоприятными для получения представления об изменении исследуемых параметров по трем направлениям.

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 вертикальной и двух горизонтальных компонент переменного магнитного поля при перемещении приемника с шагом 5 м на базе 65 ми фиксированном положении источника. Затем источник пере-мещался через 15 м по профилю, и цикл измерений повторялся [4].

В ходе обработки и интерпретации результатов наблюдений по каждому профилю наблюдения были получены средние распределения параметра геоэлектрической неоднородности на пяти частотах, геоэлектрические разрезы на пяти частотах, распределение средней продольной проводимости блоковой части массива кровли и почвы, распределение средней по профилю поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции [2, 5].

В качестве параметра,

характеризующего степень

неоднородности массива, используется средний параметр геоэлектрической неоднородности (д) [6], определяемый

как арифметическое среднее отношений модулей двух горизонтальных компонент магнитного поля (поперечной к продольной относительно выработки) в каждой точке профиля при разных положениях источника возбуждения.

Анализ распределения среднего параметра геоэлектрической

неоднородности позволяет оперативно выявить участки неоднородности массива, которые могут быть связаны с зонами породных контактов, трещиноватости или потенциальной неустойчивости,

связанных с зонами дезинтеграции [3]. На рис. 1, а-е приведены распределения

среднего параметра геоэлектрической неоднородности и геологические описания

Рис. 1, а

разрезов по профилям наблюдений.

На горизонте -320 наблюдения велись по двум профилям — первый профиль проходил по диагональному квершлагу, второй — по буровому штреку. Рассмотрим геологическую и

геоэлектрическую структуру

диагонального квершлага (рис. 1, а). 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 этого горизонта (рис. 1, а). Выявлена еще одна аномалия в районе 14-18 пикетов. Она также совпадает с зоной трещиноватости в пределах контакта руды и туфов.

Выделены еще две аномалии на 4 и 7 пикетах, которые могут быть связаны с вновь наведенной трещиноватостью массива. В остальных точках профиля наблюдаются фоновые значения параметра геоэлектрической неоднородности в пределах 400-500.

Буровой штрек расположен под углом к диагональному квершлагу. Известно, что анизотропия действующих напряжений может вызывать анизотропию в распределении зон трещиноватости и обусловливать различные фоновые значения среднего параметра неоднородности на профилях, расположенных рядом, но не параллельно. Этот эффект хорошо виден на рис. 1, б. На первом пикете имеет место менее значительная, чем на рис. 1, а

аномалия этого параметра. Аномалии в пределах 9-13 пикетов совпадают с

1 1 \ 1 1 1 \ 1 / 1

+ + + + + + 1 3 5 + + + + + + + + 7 9 11 13 + + 15 + + + 17 19

II'. ! /

I -| \ I /

-тектонические нарушения, -РУДа, -туфы,

-измененные породы

положением рудоспуска.

Транзитный штрек горизонта -332 на плане почти примыкает к диагональному квершлагу горизонта -320 образуя с ним прямой угол. Из сопоставления фоновых уровней (рис. 1, а и рис. 1, в) следует, что массив транзитного штрека находится в более сжатом состоянии, нежели массивы горизонта -320. Выявлена протяженная зона потенциальной неустойчивости (пикеты 4-12), аномалия (пикеты 14-16) связана скорее всего с контактом руды и туфов. При этом дайки являются скорее концентраторами напряжений.

На горизонте -348 наблюдения велись по двум профилям: по кольцевому штреку (рис. 1, д) и штреку Транзитный-2. (рис. 1,

г) Транзитный штрек, горизонта -348 на плане почти совпадает с транзитным штреком горизонта -332. Здесь выявлена протяженная зона потенциальной

неустойчивости (рис. 1, г) (пикеты 0-13), совпадающая с распространением

известняковых пород, пронизанных

карстовыми полостями и зонами избыточной трещиноватости. Аномалия (пикеты 19-21) может быть связана с развивающейся зоной потенциальной

неустойчивости, эпицентр которой приходится на 21 пикет.

Участок кольцевого штрека, который был охвачен нашими измерениями, расположен перпендикулярно

транзитному штреку, а на плане является

как бы продолжением квершлага Диагонального горизонта -320. Снова подтверждается наличие анизотропии горизонтальных напряжений (рис. 1, д). Фоновый уровень параметра

геоэлектрической неоднородности еще более понизился, он является наиболее низким относительно вышерассмотренных профилей, что свидетельствует о значительной концентрации напряжений в пределах пикетов 9-14. В пределах пикетов 3-8 имеет место незначительная аномалия, связанная скорее всего с контактом пород.

Профиль наблюдений на горизонте -277 расположен на участке Харьковской залежи и проходит по орту Разведочный-1 и штреку Вентиляционно-транспортный.

В плане этот профиль значительно смещен относительно остальных. На линии наблюдения выявлена протяженная зона потенциальной неустойчивости (рис. рис.

1, е) (пикеты 2-11), совпадающая с

положением разлома, картируемого с контура выработки, и оперяющей зоной трещиноватости. Этот график является хорошим примером, показывающим возможность выявления зон

трещиноватости в относительно однородном массиве. Согласно сложившимся у нас представлениям, аномально низкие значения параметра (д) , появившиеся на пикетах 11-20,

свидетельствуют о высоких напряжениях в массиве вокруг этого участка штрека. Это место требует к себе дополнительного

V/ к!/ л

+ + -4 + + + + + + + -2 0 2 4 + + 6 + + 8 + + + + + + + 10 12 14 + + + + + + + 16 18 20 22

V

-тектонические нарушения, -РУДа, - известняки, -туфы,

~7Пу

/г' Г/

- дайки диабазо-порфиритовые и диабазовые

Рис. 1, г

внимания, возможно, следует провести здесь деформационные или

сейсмоакустические исследования.

Анализ новой информации о геоэлектрическом строении наблюдаемых участков (на рис. 2 приведены примеры геоэлектрических разрезов) позволил выявить ряд особенностей. На пикетах 110 Диагонального штрека горизонта -320 практически на всех частотах выделяется дискретная дезинтеграционная структура, которую можно 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. Разрезы по буровому штреку, горизонта -320, также, в начале профиля содержат 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 9-22 пикетов. Транзитный штрек горизонта -348 характеризуется не только наличием многочисленных

околоконтурных зон дезинтеграции, но и общей блоковостью массива, в отличие от следующих 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

Г

+ 1 + + + 3 + + + + + 5 7 9 + + + + + + + + 11 13 15 17

^ш у

-тектонические нарушения,

-РУДа, - известняки,

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, а дальше все аномальные зоны находятся в кровле этой выработки. Участок профиля 9-14 может быть участком потенциальной опасности со стороны кровли.

На рис. 3 (а-б) приведено

распределение средней продольной проводимости $ в массиве почвы (а) и кровли (б) всех отработанных профилей

N

^ $п Ахп

[4]. $ = —-------- , где 8п- продольная

АХ

проводимость каждого блока в массиве кровли, либо почвы, п- количество блоков,

Ахп -длина блока, АХ -общая длина

профиля наблюдения, N количество блоков.

Сопоставление средней продольной проводимости вмещающего разреза кровли и почвы соответствующих профилей показало, что для кровли имеется значительное отличие этой зависимости от частоты для Харьковского участка. Значение ее сильно возрастает на частоте 5.08 кГц. Для почвы аналогичным свойством обладает квершлаг

Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности, Горизонт -277, Орт разведочный 1, штрек вентил. трансп.(залежь Харьковская).

А

1 і і

.у

4\і ж — - - Частота 40.62 кГц — А— Частота 20.3 кГц — К- - Частота 10.15 кГц —Ж—Частота 5.08 кГц

А--ІЛ Ь И- і

//■у*/# г\\

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номера пикетов

Диагональный, горизонт -320. Самая низкая средняя продольная проводимость почвы для всех частот отмечена в штреке транзитном, горизонт -348.

Однако информация о продольной проводимости блоковых структур

является недостаточной при изучении изменений состояния массива.

Необходимо учитывать информацию о морфологии и интенсивности зон дезинтеграции.

б)

0 20 50 90 150 200 500 1000 5000 и более (Ом^м)

Геоэлектрический разрез по Диагональному штреку , гор. -320, 81.25 кГц. Николаевский рудник.13 мая 2005 г.

и более (Ом^м)

Рис. 2

0

0

0

20

50

90

150

200

500

5000

Номера интервалов для все рисунков 4(а-д): 1 - (0-1 м), 2 - (1-2 м), 3 - (2 -3 м), 4 - (3 -4 м), 5 - (4 -5 м), 6 - (5-6 м)

Анализ распределения интегрального параметра поинтервальной интен-

сивности БрШ [7] зон дезинтеграции для кольцевого и транзитного штреков горизонта -348 показывает (рис. 4, г-д),

Рис. 3, а

Рис. 3, б

что для кольцевого штрека величина этого параметра меньше в 3-4 раза, чем для транзитного штрека. Имеет место для кольцевого штрека отличие этого

распределения для высоких и низких частот, что позволяет предположить отслоение околовыработочной части массива от остальной его части в почве

с

о.

со

Номера интервалов

Рис. 4, а

Рис. 4, б

выработки. Этот эффект отсутствует для массива транзитного штрека, горизонта -348. Наиболее явно этот эффект проявился для транзитного штрека горизонта -332 (рис. 4, в). Имеет место начало этого процесса для массива диагонального квершлага (рис 4, а). Наименьшая частотная дисперсия в

распределении параметра $рМ для профиля Харьковского участка.

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

Рис. 4, в

Номера интервалов

Штрек транзитный , гор.-348

4.5 4

3.5 3

2.5 . 2

1.5 1

0.5

О

-0.5

— - - Частота 40.62 кГц — А— Частота 20.3 кГц — К- -Частота 10.15 кГц

х- . чЛ

■ - -а—^ ш і

2 3 4

Номера интервалов

Рис. 4, г

достоверностью и надежностью. Полученные результаты следует рассматривать как первый цикл изучения динамики состояния массива

Николаевской шахты. Выявленные особенности характеризуют массив как неоднородный и по своей структуре, по

распределению действующих

напряжений, и реакции массива на их влияние. В результате повторных электромагнитных может быть получена характеристика степени устойчивости массива , как классификационное разделение соответствующих участков

Рис. 4, д

массива на устойчивые, квазиустойчивые и неустойчивые [5, 6].

Авторы настоящей работы благодарны сотрудникам группы СЭМИ ИГФ УрО РАН: О.Ю. Хачай, Е.Н. Новгородовой, а также сотрудникам шахты Т.Г. Михайловой и главному горняку ДГОКа С.П. Осадчему за поддержку и совместную работу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород. //Физика Земли, 2000, №12. - С. 18.

2. Хачай О.А. Теория и практические

результаты мониторинга гетерогенных нестационарных сред в рамках иерархических дискретных моделей. // Геодинамика и

напряженное состояние недр Земли. Труды Международной конференции 6-9 октября 2003 г. ИГД СО РАН Новосибирск. 2004. - С. 401-408.

3. Хачай О.А., НовгородоваЕ.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнаружения зон де-зинтеграции в околовыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава. // Горный Информационно-аналитический бюллетень 2003, №11. - М.: Изд-во МГГУ. - С. 26-29.

4. Хачай О.А. Информационный отчет о геофизических исследованиях на Николаевском руднике (горизонты -320 м, -332 м, -348 м, -277 м). ИГФ УрО РАН, г. Екатеринбург, 2005. - С. 55.

5. Хачай О.А., НовгородоваЕ.Н., Хачай О.Ю. О

выработке критериев оценки устойчивости массива горных пород по данным объемного электромагнитного мониторинга.// Г орный

Информационно-аналитический бюллетень - М.: Изд-во МГГУ. 2004, №11 - С. 79-90.

6. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Опыт площадных индукционных исследований резко неоднородных геоэлектрических сред.// Физика Земли,1997, N5, с.60-64.

7. Хачай О.А. Явления самоорганизации в

массиве горных пород при техногенном воздействии. // Физическая мезомеханика 7,

Спец.выпуск, Ч.2., 2004. С. 292-295.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Хачай О.А. - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Шагабутдинов В.Х. - аспирант,

Институт геофизики УрО РАН, г. Екатеринбург.