CC BY
21
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
44 © О.А. Хачай, Т.А. Хинкина, 'Чгх О.Ю. Хачай, В.А Ваганова, 2001
УДК 622.831:681.3:512.2 4
О.А. Хачай, Т.А. Хинкина, О.Ю. Хачай,
В.А Ваганова
РЕЗУЛЬТАТЫ МНОГОУРОВНЕВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ШАХТЕ ТАШТАГОЛЬСКОГО
ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА*
П
ри отработке рудных месторождений большое значение имеет проблема прогнозирования и предотвращения опасных проявлений горного давления, таких как: образование трещин в кровле или стенках выработок, их обрушения, поломка крепи выработок, толчков, горных ударов и т.д. [1]. В частности, эта проблема сводится: 1) к поиску и идентификации зон-включений в сложном блоковом массиве и слежению за их миграцией под влиянием изменения техногенных напряжений; 2) к оценке состояния массива с выделенными включениями (контакты на границах пород различного состава, либо трещиноватая среда с различной степенью проницаемости и влагонасыщенности) и фиксированию изменений массива во времени.
Опыт геофизических работ в подземных условиях с использованием различных физических полей с целью решения таких задач свидетельствует о наибольшей эффективности и технологичности бесконтактных электромагнитных методов исследования. В Институте геофизики УрО РАН разработан комплекс аппаратуры (разработчик А.И. Человечков) [2] и методики, опирающейся на теорию интерпретации трехмерных переменных электромагнитных полей [3, 4]. В рамках данной методики были разработаны: оригинальная объемная система наблюдений; алгоритмы обработки, позволяющие картировать особенности стро-ения массива горных
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 99-0564371.
пород непосредственно после проведения серии наблюдений; алгоритмы 3-0 интерпретации, позволяющие выделить параметры, характеризующие массив в целом, а так же чувствительные к локальным изменениям в массиве, которые связаны с потенциально опасными зонами, за которыми необходимо вести непрерывный мониторинг, включающий в себя дополнительные геофизические и геомеханиче-ские методы. Исследования, проведенные в шахтах различного вещественного состава, свидетельствуют об эффективности и помехоустойчивости данного комплекса [3-5]. Настоящая работа посвящена описанию результатов электромагнитных исследований, проведенных в шахте Таштагольского подземного рудника на нескольких уровнях и анализу эффективности применяемой электромагнитной методики для картирования и идентификации зон потенциальной потери устойчивости изучаемого массива, находящегося под воздействием естественных и техногенных факторов с целью прогнозирования динамики напряженного состояния массива горных пород.
Описание натурных экспериментов
Натурные исследования были проведены на Таштагольском подземном руднике (г. Таштагол Кемеровской обл.) в августе 2000 г. Среди месторождений Горной Шории Таштагольское является удароопасным и включено в атлас горных ударов наряду с такими объектами как, например, СУБР [6]. По геологическим данным, породы, слагающие Таштагольское месторождение, это: магнетит, сиениты, скарны, сланцы и диориты. Для обеспечения безопасной разработки месторождения службой прогноза Таштагольской шахты совместно с научно-исследовательскими институтами внедрен комплекс геофизических методов для наблюдения за состоянием тектонических зон [7,8]. Описываемые здесь детальные электромагнитные исследования могут быть включены в систему контроля и слежения за массивом.
Система многоуровневых электромагнитных индукционных частотно - геометрических исследований, проведенных в шахте имела вид:
Схема 1.
Г оризонт Выработки
140 3
210 2 4 8
280 8 20
350 18 19 20
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 65м и фиксированном положении источника. Затем источник перемещался через 15м по профилю, и цикл измерений повторялся.
Эта система в отличие от [9] не является полной для построения геоэлектрической 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 (схема 1).
Анализ полученных результатов
В качестве параметра, характеризующего степень неоднородности массива, используется средний параметр геоэлектрической неоднородности (5 ), используемый в [3-
5, 9] и определяемый как среднее арифметическое от суммы отношений модулей двух горизонтальных компонент
показано в [9] характерно для трещиноватых массивов. Поэтому можно сделать вывод, что на горизонтах 140, 210, 280 среднее значение интегрального параметра геоэлектрической неоднородности определяется степенью трещиноватости массива и она растет с глубиной. На горизонте 350 имеются резкие различия строения и состояния ортов 18, 19 и 20. Если 19 орт в основном представляет собой консолидированный массив с наличием разномодульных контактов, 18 орт -массив, в котором присутствует и разномодуль-ность и средней степени трещиноватость, 20 орт - трещиноватый массив, аналогичный по степени массиву на вышележащих горизонтах.
Схема 2. Распределение интегрального параметра геоэлектрической неоднородности на частоте 5 кГц.
Схема 3. Распределение интегрального параметра геоэлектрической неоднородности на частоте 80 кГц.
Проанализируем распределения среднего
Г оризонты Выработки
140 1472%
210 1198% 909% 1029%
280 840% 1416%
350 1291% 870% 1562%
ортах на различных горизонтах.
На рис. 1-3 в качестве некоторых примеров
Г оризонты Выработки
140 554%
210 619% 858% 860%
280 897% 941%
350 1358% 2218% 1198%
магнитного поля (поперечной к продольной) в каждой точке профиля при разных положениях источника возбуждения. Для характеристики степени неоднородности выработки в целом на профиле наблюдения проинтегрируем среднее значение параметра геоэлектрической неоднородности по профилям вдоль соответствующих выработок, представленных на схеме 1.
Анализ результатов, изложенных в схемах 2 и 3 показал, что интегральный параметр геоэлек-трической неоднородности зависит от частоты наблюдения, причем абсолютное его значение уменьшается с увеличением частоты. Это, как
представлено распределение 5 вдоль выработок: горизонт 350 м, орт 18, 20; горизонт 210 м, орт 8; горизонт 140 м, орт 3. Выделенные аномалии 5 , используя критерий [9], были идентифицированы как зоны трещиноватости, либо контактовые зоны. Сопоставим выделенные зоны с геологической информацией, любезно предоставленной геологической службой Таштагольского подземного рудника. На горизонте 350 м, орт 18 (рис. 1а) выделяются две аномальные зоны, прогнозируемые как зоны трещиноватости: первая (с 6 по 9 пикет), совпадает с серией трещин на геологи-
ческом разрезе, вторая (с 10 по 12 пикет), в пределах этой зоны по геологическим данным нарушения в сиенитовом массиве отсутствуют. Наличие второй зоны, возможно, говорит о проявлении процесса трещинообразования в этой части массива. В параллельном 20-м орту (рис. 1б) также выделены 2 зоны неоднородности массива: первая (с 5 по 7 пикет) - зона менее раздробленная, чем в соответственном месте на орту 18, совпадает по геологическим данным с включением микросиенита, окруженного трещинами; вторая зона (с 9 по 12 пикет), картирующая контактовую зону, сопровождаемую повышенной трещиноватостью, по геологическим данным она совпала с переслоями скарна и сиенита, обладающих повышенной трещиноватостью.
На горизонте 210 м, орт 8 (рис. 2) выделяются зоны повышенной трещиноватости: с 1 по 7 пикет и с 9 по 13 пикет, которые также совпали с имеющейся геологической информацией. Отметим, что рудная зона (с 13 по 21 пикет) картируется минимальными значениями параметра 5 , что характеризует руду как консолидированный горный массив.
зоны повышенной трещиноватости: первая (с 1 по 3 пикет), в этой зоне по геологическим данным выделено включение сланцев в рудном теле, окруженное трещинами, и вторая (с 17 по 21 пикет), которая по геологическим данным не отме-
На горизонте 140 м, орт 3 (рис. 3) выделяются две зоны, прогнозируемые как
чена как зона нарушенности. Аномалия с 12 по 17 пикет, выделенная как зона контакта соответствует по геологическим данным зоне контактов: сиениты, руда, дайка.
Номера пикетов
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
а
Номера пикетов
2 4 6 8 10121416 18 20 22 24 26 28 30
б
Рис. 4. Геоэлектрический (частота 5 кГц) и геологический разрез, а - горизонт 280, орт 20; б - горизонт 350, орт 20. (условные обозначения те же, что и на рис. 1)
Рис. 3. Распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности и план геологического строения. Горизонт 140 м, орт. 3 (условные обозначения те же, что и на рис. 1
Таким образом, мы видим, что аномалии среднего параметра геоэлектрической неоднородности, прогнозируемые как зоны контакта хорошо согласуются с геологическими данными о включениях в массив различных пород. Прогнозные зоны трещиноватости, выделенные по электромагнитным данным, либо совпадают с имеющимися геологическими данными, либо являются новой информацией, свидетельствующей о протекании процесса трещинообразования.
По результатам измерений с использованием разработанной системы обработки и интерпретации электромагнитных данных [3, 9] были построены геоэлектрические разрезы вмещающей среды. На рис. 4 приведены геоэлек-трические разрезы (частота 5 кГц) по соответственным пикетам орта 20 горизонтов 280 м (рис. 4а) и 350 м (рис. 4б), на которые нанесены данные геологического разреза. Высокоомный слой на глубине 21-24м соответствует выработке. Представленный геоэлектрический
разрез характеризует распределение удельного сопротивления массива находящегося над выработкой и под ней на глубину ± 16 м. Это определяется частотой исследования и достаточно низким удельным сопротивлением массива: (над выработкой от 50 до 100 ом.м с включениями блоков более проводящих, под выработкой от 100 до 200 ом.м. Из полученных результатов видно, что разрез среды, вмещающей неоднородности, выделенные по среднему параметру геоэлектрической неоднородности, характеризует интегральные особенности гео-электрического строения выработки в целом и является слабо чувствительной к геологическим особенностям разреза. Эта интегральная характеристика характеризует блоковость массива, размеры которых превышают размеры зон трещиноватости или контактовые зоны.
Для изучения распределения напряженного состояния изучаемого массива сложного строения необходимо провести комплексные геофизические, включающие сейсмические, и геоме-ханические исследования. Для выявления геофизических параметров, чувствительных к динамике напряженного состояния Таштаголь-ского массива требуется провести исследования в несколько циклов.
Заключение
Таштагольский подземный рудник представляет собой уникальный объект, позволяющий реализовать геофизические и геомехани-ческие исследования в объеме, захватывающим практически все месторождение, поэтому по-
лучаемые результаты имеют большое значение для изучения структуры и состояния массива сложного вещественного состава in situ при имеющемся градиенте естественного поля напряжений и находящегося при постоянно действующих техногенных воздействиях.
Проведенные электромагнитные исследования носили рекогносцировочный характер применительно к Таштагольскому месторождению. Полученные результаты показали эффективность использования разработанной ранее и применяемой на других месторождениях аппаратурно-методического и интерпретационного комплекса с использованием контролируемого источника возбуждения. При решении задачи картирования зон трещиноватости и зон контактов пород различного вещественного состава они показали хорошую сходимость с геологическими данными, которые при интерпретации не были использованы в качестве априорной информации. Последнее характеризует электромагнитную индукционную методику как чувствительную и устойчивую к выделению геологических особенностей разреза.
Электромагнитная методика является составной частью разрабатываемой системы мониторинга напряженного состояния неоднородных зон массива горных пород. Проведенные исследования показали, что в условиях Таштагольского магнетитового месторождения эта методика является информативной составной частью предлагаемой системы.
1. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра. 1994. 207с.
2. Хачай О.А., Человечков А.И. Аппаратурно-методичес-кий комплекс для изучения строения горных массивов. // Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений. ИГД УрО РАН. Екатеринбург. 1996. с.225-226.
3. Хачай О.А., Хачай А.Ю., Новгородова Е.Н. Рациональная геофизическая методика контроля устойчивости массива при подземной отработке рудных месторождений. // Проблемы механики горных пород. С.-Петербург. 1997. с.479-484.
4. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Влох Н.П., Липин Я.И. Трехмерные электромагнитные исследования строения и состояния массива горных пород. //
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Горная геофизика. С.-Петербург. 1998. с.591-598.
5. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Влох Н.П., Липин Я.И., Хо-ванов Н.И. Электромагнитный мониторинг массива горных пород при разработке месторождения магнезита. // там же. с.71-77.
6. Каталог горных ударов на рудных и нерудных месторождениях. Ленинград. ВНИМИ. 1986.
7. Ваганова В.А., Лазаревич Л.М., Шипеев О.В., Скляр Н.И. Комплекс геофизических методов
наблюдения за состоянием тектонических нарушений на Таштаголь-ском месторождении.// там же. с. 5965.
8. Моисеев С.В., Волкова Е.Н., Гамбурцев А.Г., Камшилин А.Н.,
Калинина А.В., Харазова Ю.В. Анализ результатов геоэлектриче-ских режимных наблюдений (рудник "Таштагольский").//там же. с. 444-450.
9. 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.1-8.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ —
/-------------------------------------------------------------------------------7
Хачай Ольга Александровна — доктор физико-математических наук, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
Хинкина Татьяна Аркадьевна — младший научный сотрудник, Институт геофизики Уральского отделения РАН.
Хачай Олег Юрьевич - студент, Уральский государственный университет.
Ваганова В.А. — Таштагольский подземный рудник. _____________________________________________________________________________/
