Результаты экспериментальных исследований криогенного состояния горных пород методом георадиолокации в условиях открытой разработки месторождений криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------ © Д.В. Саввин, Л.Л.Федорова,

А.В. Омельяненко, М.Р. Никифорова,

2011

УДК 622.2715:550:621.396.96

Д.В. Саввин, Л.Л.Федорова, А.В. Омельяненко,

М.Р. Никифорова

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. Приведены примеры экспериментальных исследований сезонноталого слоя, линз льда и зон талых пород методом георадиолокации.

Ключевые слова георадиолокация, криолитозона, сезонно-талый слой.

Для 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 многолетнемерзлых пород перспективны методы высокочастотной электроразведки, в частности, георадиолока-ционный метод. Мерзлые горные породы, особенно мерзлые рыхлые отложения, обладают на порядки более высоким электрическим сопротивлением, чем талые породы и поглощение энергии электромагнитных волн в мерзлых породах на порядок меньше чем в талых [1]. Это предопределяет большую глубинность георадиолокационных иссле-

дований мерзлого массива, что вызывает повышенный интерес к использованию георадиолокации в условиях криолито-зоны.

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 многолетнемерзлых 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 м до 3,5 - 4 м [2]. Это величина зависит от температуры воздуха, длительности

промерзания, высоты и плотности снега, состава и влажности пород.

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 естественное 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 от-тайке пород. Также наибольшее препятствие для оттаивания представляют собой горизонтально ориентированные прослойки и линзы льда.

Чтобы выбрать наиболее эффективную технологию разработки месторождения 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 горногеологических 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 обеспечивающей глубину исследований 5 - 8 м с детальностью 0,1 - 0,3 м (в зависимости от физических свойств исследуемых грунтов). Исследован участок площадью 280 м*15 м. 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 сезонно-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 участка пучения на вышележащие слои также проявляется наличием высококонтрастных отражающих границ на глубине 1-2 м в интервале от 0 до 120 м. “Прогиб” границы сезонноталого слоя на участках 20-140 м и 235255 м вероятно связан с переувлажненными породами верхней части разреза.

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.

Рис. 1. Результат исследования глубины сезонно-талого слоя: а) георадиолокационный разрез по профилю вдоль участка; б) карта глубины сезонно-талого слоя по данным поперечных профилей

Рис. 2. Пример определения талых зон методом георадиолокации с учетом рельефа местности

На рис. 2 представлен результат экспериментальных георадиолокационных зондирований талых зон. На данном участке исследований рельеф местности имеет склон, по которому происходит сток (дренаж) воды, что приводит к ее накоплению (повышенному увлажнению) в подповерхностных слоях нижней части склона. При интерпретации данных георадиолокации, зоны талых пород определяются на основе анализа спектральных и динамических характеристик сигналов. Так, на участке 60-80 м по профилю георадиолокационного разреза представленного на рис. 2, в интервале глубин 0,5-1 м, сигналы более низкочастотны и имеют высокие амплитуды, по сравнению с остальными сигналами разреза, что характерно для отражений от пород повышенной влажности. В точке зондирования (т.з.) 207, на участке, представленном мерзлыми породами, амплитуда сигнала А, отраженного от границы на глубине 2 м, уменьшилась в 4 раза, а в т.з. 317 (участок талых пород) амплитуда сигнала А, отражен-

ного от этой же границы уменьшилась в 13 раз, что так же характерно для пород повышенной влажности, в которых велико поглощение электромагнитной энергии.

Для применения любых способов от-тайки наиболее благоприятен разрез, где основная толща пород представлена галечниками с песчаным заполнителем, не имеющим прослоев линз льда. При бурении скважин информация о геологическом строе-нии участка горных работ достоверна лишь вблизи пробуренных скважин. Пример обнаружения линзы льда при исследовании межскважинного пространства показан на рис. 3.

На участке применялась аппаратура с центральной частотой 400 МГц. Работы проводились в непрерывном режиме по профилям буровой линии в осенний период при полной оттайке сезонно-талого слоя. Линза льда уверенно выявляется интенсивными осями синфазности отраженных сигналов. Мощность линзы составляет до 0,8 м, в длину 7,0 м и отчетли-

т.з. 241

Амплитуды

сигналов

А=155 у.е. А=464 у.е.

Рис. 3. Фрагмент георадиолокационного разреза рыхлых горных пород с присутствием линзы льда

во прослеживается на глубине от 3,2 до 4,0 м.

Результатами проведенных работ показано, что метод георадиолокации дает возможность оперативно и с высокой точностью исследовать криогенное состояние горных пород, к примеру, про-

слеживать глубину оттайки массива пород, выявлять включения линз льда, определять зоны талых пород, и может успешно применяться для оценки степени готовности полигона к отработке открытым способом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Омельяненко А.В. Георадиолокацион-ные исследования многолетнемерзлых пород / А.В. 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.

3. Омельяненко А.В. Геофизическое картирование подповерхностных геологических структур криолитозоны / А.В. Омельяненко, Д.В. Саввин, Н.Д. Прудецкий //. - Горный ин-форма.-аналит.бюллютень. - 2009. - № 4.-С. 106-1 КЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------

Саввин Д.В. - ст. инженер лаборатории георадиолокации, Институт горного дела севера им. Н.В.Черского СО РАН, [email protected]

Федорова Л.Л. - кандидат технических наук, ст.научный сотрудник лаборатории георадиолокации, Институт горного дела севера им. Н.В.Черского СО РАН, [email protected] Омельяненко А.В. - доктор технических наук, заведующий лабораторией георадиолокации, Институт горного дела севера им. Н.В.Черского СО РАН, [email protected]

Никифорова М.Р. - Первый заместитель министра транспорта, связи и информатизации Республики Саха (Якутия), [email protected]

А