CC BY
15
© Д.В. Саввин, М.Р. Никифорова, A.B. Омсльянснко, Л.Л. Федорова, 2013
УДК 622.2715:550:621.396.96
Д.В. Саввин, М.Р. Никифорова, А.В. Омельяненко, Л.Л. Федорова
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КРИОГЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
Рассмотрены возможности дистанционного исследования криогенного состояния и строения массива горных пород. Приведены1 примеры1 экспериментальные исследований сезонно-талого слоя, линз льда и зон талыгк пород методом георадиолокации.
Ключевыте слова: георадиолокация, криолитозона, сезонно-талый слой, оттайка.
Л ля повышения производительности труда, экономической эффективности и уменьшения энергоемкости технологических процессов открытой разработки месторождений криолитозоны необходима оперативная информация о криогенном состоянии и строении массива горных пород. Применение современных методов геофизики, в том числе электроразведки, в комплексе инженерно-геологических изысканий позволяет получать детальное представление об объекте исследований, не увеличивая объем планируемых буровых работ. В условиях распространения ММП перспективны методы высокочастотной электроразведки, в частности, георадиолокационный метод. Мерзлые горные породы, особенно мерзлые рыхлые отложения [1], обладают на порядки более высоким электрическим сопротивлением, чем талые породы и поглощение электромагнитных волн в мерзлых породах на порядок меньше чем в талых. Это предопределяет большую глубинность георадиолокационных исследований мерзлого массива, что вызывает по-
вышенный интерес к использованию георадиолокации в условиях криолитозоны.
Для ведения открытых горных работ наиболее благоприятен теплый период года, но его кратковременность требует весьма интенсивной организации производства. Интенсивная работа может быть организована только при наличии достаточного количества подготовленных к разработке пород. В условиях многолет-немерзлых россыпей больше половины вскрышных работ производятся с предварительным разупрочнением рыхлых пород. Например, оттайку пород можно провести с использованием различных способов в летний период предыдущего года. Однако оттаянные летом породы зимой неизбежно промерзнут снова на такую глубину, при которой их разработка станет невозможной. Промерзание верхней части талых пород может изменяться от 1—1,5 до 3,5—4 м [2]. Это величина зависит от температуры воздуха, длительности промерзания, высоты и плотности снега, состава и влажности пород. Одним из способов
О 30 ЙО № 1С» 130 1« 1ли 180 2В ¿21! 3« И11 яо»
Рис. 1. Результат исследования глубины сезонно-талого слоя (СТС): а) георадиолокационный разрез с выделенным слоем СТС; б) карта глубины СТС по данным поперечных профилей
подготовки мерзлых пород к разработке является предохранение слоя от промерзания, которое существенно увеличивает продолжительность сезона горных работ. Однако, ставя соответствующую задачу, необходимо, прежде всего определить допустимую величину промерзания и не стремиться к полному предохранению. Небольшой слой мерзлых пород на поверхности талого массива может и не создавать трудностей для разработки, особенно при использовании мощной техники.
Обычно глубину промерзания для каждого участка знают по опыту прежних работ, поэтому в ряде случаев расчет не производят, а ориентируются на практический опыт. Поэтому пользоваться статистическими материалами следует осторожно. Можно также практический опыт подтвердить расчетом. Однако естест-
венное промерзание — сложный многофакторный теплофизический процесс и его точный расчет весьма затруднен [2].
При открытой разработке месторождений наиболее эффективна и дешева естественная оттайка с послойным удалением (при бульдозерной разработке) или накоплением талого слоя (при разработке с помощью экскаватора). Одними из условий интенсивности естественной оттайки является талый слой и периодичность его удаления. Талый слой находящийся на поверхности мерзлых пород, становится теплоизоляцией, препятствующей дальнейшей оттайке пород. Также наибольшее препятствие для оттаивания представляют собой горизонтально ориентированные прослойки и линзы льда.
Чтобы выбрать наиболее эффективную технологию разработки ме-
Рис. 2. Фрагмент георадиолокационного разреза рыхлых горных пород с присутствием линзы льда
сторождения необходимо четко знать условия, благоприятные для различных способов разупрочнения, которые прежде всего зависят от состава, криогенного состояния и строения массива горных пород разрабатываемого россыпного месторождения.
Нами проведены экспериментальные исследования возможности применения георадиолокации для оценки криогенного состояния горных пород. Исследования проводились на горно-геологических объектах Якутии [3]. Пример исследования глубины сезонно-талого слоя методом георадиолокации представлен на рисунке 1. Съемка на данном участке производилась в осеннее время с использованием георадиолокатора с центральной частотой 400 МГц обеспечивающая глубину исследований 5—8 м с детальностью 0,1—0,3 м (в зависимости от физических свойств исследуемых грунтов). Измерения проведены в контакте с поверхностью вдоль и поперек участка исследований. Анализ радарограмм с использованием данных бурения позволил провести привязку отражающих границ. Минимальная глубина прослеживания
2,72 м, максимальная 4,05 м при средней 3,4 м. Оси синфазности отраженных волн приуроченные к се-зонно-талому слою прослежены по всему профилю. В левой части профиля в интервале 44—93 м выделяется слой мощностью до 1 м на глубине 3—4 м (отмечен пунктирной линией). Предположительно участок пучения. Влияние аномального участка на вышележащие слои видим в интервале от 0 до 120 м на глубине 1—2 м. "Прогиб" границы сезонно-талого слоя на участках 20—140 м и 235— 255 м вероятно связан с переувлажненными породами верхней части разреза.
Наиболее благоприятен для применения любых способов оттайки разрез, где основная толща пород представлена галечниками с песчаным заполнителем, не имеющим прослоев линз льда. При бурении скважин информация о геологическом строении участка горных работ достоверна лишь вблизи пробуренных скважин. Пример обнаружения линзы льда при исследовании межсква-жинного пространства показан на рис. 2.
Амплитуды сигалов, у.е
Т.з 207
Т.з 317
А=8,8 у.е
Амплитуды сигалов, у.е
Рис. 3. Пример определения талых зон методом георадиолокации
На участке применялась аппаратура с центральной частотой 400 МГц. Работы проводились в непрерывном режиме по профилям буровой линии. Линза льда уверенно выявляется интенсивными осями синфазности отраженных сигналов. Мощность линзы составляет до 0,8 м, в длину 7,0 м и отчетливо прослеживается на глубине от 3,2 до 4,0 м.
Для проведения горных работ необходимы детальные сведения о наличии талых участков и их расположении. Технология разработки талых и мерзлых россыпей различна, поэтому неожиданная встреча с талыми зонами в мерзлой толще может иметь самые неприятные последствия.
На рисунке 3 представлен результат экспериментальных георадиолокационных зондирований талых зон. Съемки произведены с дневной поверхности в зимнее время. Талые участки определяются на основе анализа динамических характеристик сигна-
1. Омельяненко A.B. Георадиолокационные исследования многолетнемерзлык пород / A.B. Омельяненко, Л.Л. Федорова // — Якутск.: Издательство ЯНЦ СО РАН, 2006. — 136 с.
2. Потемкин С.В. Оттайка мерзлых пород / С.В. Потемкин // — М.: Недра, 1991. — 160 с.
лов по более интенсивному затуханию сигналов в породе. Так, на участке точки зондирования 207, представленном мерзлыми породами, амплитуда второго отраженного сигнала А = 63, а на участке точки зондирования 317 (участок талых пород) амплитуда этого же сигнала А = 49. По георадиолокационному разрезу можно определить азимутальное расположение талых участков (на профиле зона прослеживается от 60 до 80 м) и глубину распространения (от 2 м и ниже).
Результатами проведенных работ показано, что метод георадиолокации дает возможность оперативно с высокой точностью исследовать криогенное состояние горных пород, к примеру, прослеживать глубину оттайки массива пород, выявлять включения линз льда, определять зоны талых пород, и может с успехом применяться для оценки степени подготовки полигона к отработке открытым способом.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Омельяненко А.В. Геофизическое картирование подповерхностных геологических структур криолитозоны / А.В. Омельяненко, Д.В. Саввин, Н.Д. Прудецкий //.— Горный информа.-аналит. бюллютень. — 2009. — №4. — С. 106—114. ЕПЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Саввнн Денис Валерьевич— ст. инженер лаборатории георадиолокации, [email protected] Никифорова Марианна Револьевна — первый заместитель министра транспорта, связи и информатизации Республики Саха (Якутия), [email protected]
Омельяненко Александр Васильевич — доктор технических наук, заведующий лабораторией георадиолокации, [email protected]
Федорова Лариса Лукинична — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории георадиолокации, [email protected] Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
