Теория и практические результаты мониторинга гетерогенных нестационарных сред в рамках иерархических дискретных моделей

УДК 622:[550.3+550.8]

О.А. Хачай

Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург

ТЕОРИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ГЕТЕРОГЕННЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СРЕД В РАМКАХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ

В настоящее время имеется много экспериментальных фактов, свидетельствующих о существовании зон гетерогенности в массиве горных пород, расположенных на разных глубинах [1 - 4]. Они, как правило, ассоциируются с рудопроявлением, отражают палео и современную геодинамику, являются областями потенциальной неустойчивости массива. Нестационарность зон наблюдается как по пространственному расположению, так и по структуре. Структура гетерогенных зон адекватно описывается иерархической моделью среды с дискретными неоднородностями [5 - 7]. Чтобы получить в рамках комплексной геофизической и геомеханической методики объемное представление о напряженно-деформированном состоянии (НДС) массива и его структуре необходима разработка теоретических подходов при формулировке критериев подобия между измеряемыми геофизическими и геомеханическими параметрами.

В [8] изложены результаты теоретических исследований распространения электромагнитного поля во фрактальных структурах, которые являются одной из разновидностей иерархических моделей. В Институте геофизики УрО РАН на основе концепции единой трехэтапной интерпретации [9 - 11] разработана методика электромагнитных индукционных и динамических сейсмических исследований в частотно -геометрическом варианте, которая используется для картирования и мониторинга сложно построенных геологических сред в наземном и подземном (шахтном) вариантах. Эта методика ориентирована на использование сосредоточенных источников возбуждения определенного типа, для которых существует морфологическое подобие как нормальных, так и аномальных полей. Созданная теория и методика позволяют осуществить картирование и мониторинг распределенных упругих и геоэлектрических неоднородностей в рамках двухранговой иерархической модели с оценкой влияния третьего ранга. Полученные данные подтверждаются результатами моделирования и натурными исследованиями [12].

Рассмотрим несколько примеров использования разработанной методики. В ней в качестве возбуждающего используется поле вертикального магнитного диполя на ряде частот от 5 до 80 кГ ц. Измерения модуля трех компонент магнитного поля (вертикальной | Нг | и двух горизонтальных (в шахтном варианте): вдоль | Нг | и поперек | Нф | выработки) проводятся в рамках планшета (в профильном варианте расстановки) с шагом 5 м длиной 60 - 80 м (в зависимости от геоэлектрических свойств изучаемого массива). Источник возбуждения находится в начале расстановки и перемещается вместе с ней через 15 м вдоль выработки. В наземном варианте

геометрические параметры системы наблюдений меняются в зависимости от детальности и глубинности изучения строения массива. Для каждой

расстановки и фиксированной частоты œ определяются два параметра:

Рэфф (r)= œr2(| Hz | /1 Hr\)1ж и S(r) = (| Нф | /1 Hr |) • 100%. Эти данные

составляют информационную базу для дальнейшей интерпретации, которая

осуществляется в три этапа [9]. На первом этапе определяются геоэлектрические параметры одномерного разреза для каждой расстановки после предварительной фильтрации данных рэфф (r) с учетом условия:

S(r) < A, где A - уровень фильтрации [13]. В случае подземных наблюдений интерпретация производится в рамках слоистой модели: n слоев над

выработкой, n слоев под ней. Далее производится вычисление геоэлектрических параметров для среднего разреза. В результате получаем распределение удельного сопротивления в пространстве вверх и вниз от выработки для каждой точки наблюдения. Выбирается максимальная мощность слоистой пачки, связанная с глубиной проникновения поля. В пределах этой мощности производится осреднение удельного сопротивления по вертикали. Затем используется алгоритм определения горизонтальных границ блоков из условия: pmax/ Ртп = 155, Ртах , Pmin - соответствуют левой или правой границам блока.

Далее в рамках алгоритма на втором этапе интерпретации определяются геометрические характеристики проводящих включений и их суммарные эквивалентные моменты, которые пропорциональны отношению разности проводимостей во вмещающей среде и во включении. Здесь, следуя [14], используется принцип аппроксимации для переменных электромагнитных полей. Исходная модель включения выбирается в виде токовой линии конечной длины. Полем такого типа источников аппроксимируется распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности, определяемого как среднее значение S в каждой точке профиля, расположенного вдоль выработки. Решается задача минимизации среднеквадратического отклонения (невязки) экспериментальной кривой распределения среднего параметра геоэлектрической неоднородности от теоретической [15]. Положение источников возбуждения сохраняется таким же, как и при реализации первого этапа. Токовые линии располагаются непосредственно либо под профилем вниз от выработки, либо над профилем вверх. При этом определяются описанные выше параметры этих токовых линий, подбор ведется в полуавтоматическом режиме: изменение искомых параметров в процессе подбора назначается интерактивно. Процедура заканчивается, когда невязка становится меньше заданного значения. Абсолютная величина невязки контролируется заданной точностью подбора среднего значения параметра геоэлектрической неоднородности в экстремальных точках. Математически эта процедура реализована на ПК [16]. Таким образом, по результатам первого и второго этапов интерпретации

строится трехмерная геоэлектрическая модель изучаемого участка геологической среды.

Рассмотрим результаты, полученные при изучении массива медноколчеданных пород на Узельгинском руднике. В рамках описанной методики было проведено восемь циклов измерений по профилю в выработке вкрест простирания рудного тела. Измерения проводились следующим образом. Три - в ноябре 1999 г. (между первым и вторым циклом измерений на том же горизонте - 550 м на расстоянии 100 м от начала профиля в его створе был проведен массовый взрыв). Следующие три - в марте 2000 г. Здесь в отличие от 1999 г. массовый взрыв произведен на расстоянии 200 м под углом 60° к началу профиля наблюдения. Далее два цикла наблюдений проведены после массового взрыва на горизонте - 610 м в марте 2001 г.

В таблице приведены результаты изменения относительных удельных сопротивлений в выделенных по описанному выше алгоритму блоках в пределах околовыработочного пространства во время всех циклов измерений на пяти частотах. Они относятся к пространству около выработки ДСШ-4 Узельгинского подземного рудника. Из полученных результатов следует, что геоэлектрическое строение выделенных блоков изменялось за более продолжительный срок, чем два дня после сильного техногенного воздействия. Эта характеристика отражает значительную потенциальную объемную перестройку массива, и если она происходит в течение короткого промежутка, то это может привести к неустойчивости выработки в целом, чего не происходило в реальности.

— и,1999

Таблица. Динамика относительных удельных сопротивлений рп-^ / р}

п Частота, кГц

5 10 20 40 80

т = 1999 г.

1 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 2 1 = 3 1 = 1 1 = 1

1.0 1.0 0.84 0.98 1.2 1 1

2 1 = 1 1 = 2 1 = 1 1 = 2 1 = 1 1 = 1 1 = 1

1.1 0.87 1.2 0.83 1.0 1.0 1.0

3 1 = 1 1 = 2 1 = 1 1 = 2 1 = 1 1 = 2 1 = 3 1 = 1 1 = 2 1 = 1 1 = 2

1.4 0.56 1.3 0.68 1.5 1.0 0.46 1.3 0.71 1.2 0.85

4 1 = 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 1

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

т = 2000 г.

1 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 1

1.0 1.0 1.1 1.0 1.0

2 1.0 1.0 1.1 1.1 0.96

3 1.3 1.3 1.2 1.2 1.2

4 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

т = 2001 г.

1 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 1 1 = 1

0.88 0.88 0.88 0.88 0.88

2 1.0 1.0 1.1 1.1 0.87

3 1.0 0.90 0.97 1.0 1.2

4 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Примечание: черная черта означает слой, соответствующий выработке.

На рис. 1 изображен фрагмент интерпретации данных мониторинга за три цикла наблюдений в 1999 г. на частоте 5 кГц. Очевидно, что в так называемой зоне дезинтеграции, примыкающей к выработке, происходит перемещение и изменение интенсивности аномальных зон неоднородности. До взрыва и на второй день после взрыва конфигурация расположения аномальных зон возвращается к состоянию, имевшему место до техногенного воздействия. На следующий же день после взрыва мы видим по возрастанию интенсивности М0, имеющую место активизацию зон неоднородности, как над выработкой, так и под ней, кроме того, есть выделенное направление усиленной трещиноватости. Интересно отметить, что на второй день после массового взрыва выделились более четко две конфигурации треугольного вида зон неоднородностей, сходящиеся одной из вершин к середине выработки. Пространственная морфология этих зон может быть определена только в рамках методики, ориентированной на иерархичную модель исследования.

Представляет интерес анализ интегральных параметров вдоль выработки, характеризующих изменение степени неоднородности массива горных пород при воздействиях массовых взрывов. Результаты, изображенные на рис. 2а, свидетельствуют о том, что среднее вдоль выработки значение среднего параметра геоэлектрической неоднородности в 1999 г. и 2000 г. изменилось незначительно, несмотря на интенсивное техногенное воздействие (в 2001 г. в окрестности выработки ДСШ-4 начались работы по влажной закладке отработанных камер). Параметры 11-15 изменяются тем сильнее, чем ближе к контуру выработки находятся локальные неоднородности массива (рис. 2б - е), при этом зависимость П(М) практически повторяет зависимость 8(N). Анализ распределений П(^) -15(^) позволяет, с одной стороны, интегрально оценить глубину техногенного воздействия на массив, с другой стороны, определить степень фоновой возмущенности массива как функции времени.

Для сопоставления строения дунитового массива одного из коренных месторождений платины (Кытлымского) приводим разрезы Косьвинского плеча, построенные по данным попланшетной электромагнитной съемки на частоте 10 кГц.

Зоны трещиноватости, выделенные в разрезе, хорошо совпадают с зонами серпентинизации дунитового ультраосновного массива, а по пространственной морфологии совпадают с зонами аномальной неоднородности (рис. 1).

Проведенный анализ и сопоставление геофизических методов для осуществления комплекса геомеханических, геологических и геофизических исследований при мониторинге НДС массива с целью прогноза показали, что наилучшее согласование разнородных данных достигается в рамках иерархической модели среды. Следует отметить, что назрела необходимость в

разработке общей теории интерпретации геофизических полей в рамках иерархических моделей, которая явилась бы базисом для создания новых комплексных методик мониторинга гетерогенных сред. Дальнейшее продвижение видится в обосновании критериев подобия не только геофизических, но и геолого-геомеханических систем наблюдения.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 N

Рис. 1. Геоэлектрические разрезы, построенные по данным электромагнитного индукционного мониторинга массива вблизи выработки ДСШ-4, находящейся в зоне техногенного воздействия

Горизонт - 550 м, 1999 г., частота 5 кГц: а - 11 ноября (день до массового взрыва); б -16 ноября (день после массового взрыва); в - 18 ноября (два дня после массового взрыва); г — распределение среднего параметра геоэлектрической неоднородности (5 -

п

11 ноября, 6 - 16 ноября, 7 - 18 ноября). Условные обозначения: - удельное

сопротивление; п - номер слоя (два слоя расположены над выработкой, два слоя - под

выработкой, выработка обозначена сплошной черной линией); I - номер блока; р п -среднее значение удельного сопротивления для каждого слоя. Цифрами обозначены мощности слоев, прилегающих к выработке; в той части слоя, где мощность не указана, следует пользоваться вертикальным масштабом: N - номера пикетов; 1 ^ 4 — локальные зоны геоэлектрической неоднородности с различной контрастностью по проводимости с вмещающей средой. 1 - 0.01 <М0 < 0.5; 2 - 0.5 <М0 < 2; 3 - 2 <М0 < 4; 4 - М0 > 4; где М0 - коэффициент, пропорциональный контрастности проводимости и

длине зоны неоднородности.

Рис. 2. Результаты обработки данных электромагнитного мониторинга

Условные обозначения: а - среднее вдоль выработки значение среднего параметра геоэлектрической неоднородности на пяти частотах (легенда, изображенная на этом рисунке, справедлива для рис. 2б - е); N - номер цикла мониторинга - 1 - 11 ноября 1999 г., 2 - 16 ноября 1999 г., 3 - 18 ноября 1999 г., 4 — 14 марта 2000 г., 5 - 19 марта 2000 г., 6 - 20 марта 2000 г., 7 - 26 марта 2001 г., 8 — 28 марта 2001 г.; б - II - суммарное значение М0 для аномальных источников, расположенных до глубины 1 м от контура выработки; в - 12 - суммарное значение М0 для аномальных источников, расположенных на интервале 1 - 2 м от контура выработки; г - 13 - суммарное значение М0 для аномальных источников, расположенных на интервале 2 - 3 м от контура выработки; д - 14

- суммарное значение М0 для аномальных источников, расположенных на интервале 3 -4 м от контура выработки; е - 15 - суммарное значение М0 для аномальных источников, расположенных на глубине более 4 м от контура выработки.

а

-31 -27 -23 -19 -15 ПК -11 -7 -3 1

О 20 50 90 150 200 500 1000 5000 и более

6

-31 -27 -23 -19 -15 Пк -11 -7 -3 1

0 40 80 120 160 М 200 240 280 320

Г I I I I I I  ^

О 50 153 200 500 1000 2000 3000 5000 и болсс

Рис. 3. Продольные геоэлектрические разрезы Косьвинского плеча, построенные по данным попланшетной электромагнитной съемки на

частоте 10 кГц:

а — западная часть; б — восточная часть

Усл овные обозначения: блоковый разрез приведен в удельных сопротивлениях (омм), М0 — совпадает с обозначением, приведенным на рис. 1.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 02-05-64229, 02-0596433.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Караев Н.А. Сейсмическая гетерогенность земной коры и проблемы интерпретации результатов региональных наблюдений в «ближней» зоне // Неклассическая геофизика. Материалы Международной конференции. — Саратов: ОИФЗ РАН, 2000.

2. Кашубин С.Н. Сейсмическая анизотропия и эксперименты по ее изучению на Урале и Восточно-Европейской платформе. — Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2001.

3. Оболенцева И.Р., Чичинина Т.И. Пространственная дисперсия и ее проявления в сейсмических волновых полях // Неклассическая геофизика, материалы Международной конференции. — Саратов: ОИФЗ РАН, 2000.

4. Шемякин Е.И., Фисенко Г.Л., Курленя М.В. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок // ДАН СССР. — 1986. — Т. 289. — № 5.

5. Родионов В.Н., Сизов И.А., Кочарян Г.Г. О моделировании природных объектов в геомеханике // Дискретные свойства геофизической среды. — М.: Наука, 1989.

6. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. — М.: Наука, 1987.

7. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. — Новосибирск: Наука, 1985.

8. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. — М.: Логос, 2002.

9. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Использование трехмерной методики индукционных электромагнитных исследований строения горных массивов // Физика Земли. — 1999. — № 6.

10. Хачай О.А., Дружинин В.С. Комплексирование трехмерных методов сейсмических и электромагнитных исследований для решения задач мониторинга // Разведка и охрана недр. — 2000. — № 2.

11. Хачай О.А. Комплексные геофизические исследования (теория и практические результаты) // Уральский геофизический вестник. — Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2000. — № 1.

12. Хачай О.А., Дружинин В.С., Каретин Ю.С. и др. Комплексирование профильных и попланшетных сейсмических и электромагнитных методик исследования приповерхностных сложно построенных сред // Геофизика XXI в. Мат. симпозиума. — Екатеринбург: УГГГА, ЕАГО, ИГФ УрО РАН, 2001.

13. Хачай О.А., Новгородова Е.Н. Опыт площадных индукционных исследований резко неоднородных геоэлектрических сред // Физика Земли. — 1997. — № 5.

14. Страхов В.Н. Научное мировоззрение I, II // Геофизика. — 1993. — № 1. - 1994.

— № 1.

15. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н. и др. Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород // Физика Земли. — 2001. — № 2.

16. Новгородова Е.Н. Итерационный рекуррентный алгоритм подбора источниками гальванического типа среднего параметра геоэлектрической неоднородности в рамках по-планшетной электромагнитной методики // Вторые научные чтения Ю.П. Булашевича. — Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2003.

© О.А. Хачай, 2005