Разведка карстовых нарушений в кровельных породах угленосных залежей Подмосковного угольного бассейна с помощью электропрофилирования

УДК 622.457.2

РАЗВЕДКА КАРСТОВЫХ НАРУШЕНИЙ В КРОВЕЛЬНЫХ ПОРОДАХ УГЛЕНОСНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЯ

В.М. Логачёва, В.А. Подольский, В.А. Мишанова

Рассмотрены геоэлектрические характеристики карстующихся пород, слагающих кровлю угольных пластов на примере Подмосковного угольного бассейна. Выведены основные идентификационные признаки карстовых нарушений на основании математического моделирования. Сделан вывод о возможности проведения подобной идентификации исходя из типовых результатов электрометрических исследований.

Ключевые слова: Подмосковный угольный бассейн, карст, идентификация, электрометрическое прогнозирование, электропрофилирование.

Из всей стратиграфической шкалы, характерной для Подмосковного угольного бассейна, в частности, для участка, расположенного выше угленосных, а именно Бобриковского и Тульского горизонтов Визейского яруса нижнего отдела Каменноугольного периода палеозойской эры (иначе говоря, кровли горизонтов), к карстующимся относятся трещиноватые известняки, встречающиеся в Протвинском горизонте Намюрского яруса, Стешевском, Тарусском, Венёвском, Михайловском, Алексинском (объединённые в общий окский надгоризонт) и Тульском горизонтах Визейского яруса нижнего отдела Каменноугольного периода палеозойской эры. Исследуемая область относится к Московской карстовой провинции, для которой свойственны, помимо обширных форм поверхностного карста, таких, как воронки, иногда объединяющиеся в цепи, сложные ванны, блюдца и слепые балки, образование подземных карстовых полостей (до 25 м) и погребенные воронки просасывания диаметром до 100 м. Подземные карстовые нарушения подразделяются на доугленосные, которые имеют место в известняках упинского горизонта, и послеугленосные, образовавшиеся в наугольных (тульских или окских) известняках. Над карстовыми полостями, как правило, хорошо развит свод обрушения вышележащих горных пород, которыми и заполняется карст. Обычно это песок, обломки известняков, глин, угля. Вокруг карстового нарушения имеется ореол дробления и трещин как результат гидрогеологического процесса фильтрации воды и обрушения горных пород [1, 2].

Схематические примеры характерного для Подмосковного угольного бассейна карстового нарушения приведены на рис. 1

Рис.2. Схематические примеры карстового нарушения

С точки зрения электрометрических исследований данные известняки в сухом состоянии относятся к высокоомным породам, а в увлажнённом, т.е. в случае присутствия грунтовых вод, - к низкоомным. Именно эта разница позволяет применять в качестве метода обнаружения обводнённого карста электрометрическое прогнозирование. [3]

Геоэлектрические характеристики горизонтов, содержащих кар-стующиеся породы, приведены в табл. 1.

Встречающиеся в упомянутых выше высокоомных породах нарушения (так называемые аномальные зоны) достаточно эффективно прогнозируются при помощи математического моделирования.

Аномальная зона при расчёте электрического поля для модели, представлена локальным замещением пласта. Этот выбор обусловлен предварительным аналитическим расчётом, который показал эффект интенсивности аномалии на 7... 9 % больше, нежели в случае принятия формы аномалии в виде идеализированного геометрического объекта. Электрические поля при линейном заземлителе рассматриваются для двухслойной среды, в одном из слоев которой присутствует низкоомная обводнённая зона. Размеры аномального объекта по вертикали соответствуют мощности пласта и изменяются в пределах 10...70 м, а по горизонтали, исходя из геологических данных, - в приделах 10.100 м при поперечном размере 30.50 м [4, 5].

Таблица 1

Геоэлектрические характеристики кровельных карстующихся _горизонтов_

Удельное электрическое

Литологическая характеристика сопротивление, Ом-м

разреза по стратиграфическим Интервал Наиболее часто

горизонтам изменений встречающееся

от до

1 Отложения протвинского горизонта

1.1 Известняки плотные 250 1000 400-600

1.2 Известняки водоносные 50 300 110

2 Отложения стешевского горизонта

2.1 Известняки плотные 500 1300 250-600

3 Отложения окского горизонта

3.4 Известняки плотные 300 1200 600

3.5 Известняки водоносные 50 200 110

4 Отложения тульского горизонта

4.6 Известняки плотные 200 600 350-400

4.7 Известняки водоносные 60 130 80

Расчётные кривые над двухслойной средой, приведенные на рис. 2, служат для наглядной демонстрации поведения модели в случае «обнаружения» аномальной зоны во второй среде на пикетах 5 - 10.

Выбор пикетов обуславливается тем, что первое положение расходится в области экстремальных значений линейного поля за счёт линейности электрода, а второе - на асимптотической кривой, при отношении р2/ра=7 - 27 интенсивность краевого аномального эффекта в первом случае увеличивается в 15 - 30 раз, во втором в 10 - 20. При этом над центром аномального объекта при отрицательной аномалии её фон уменьшается, а при положительной - увеличивается. Всё вышеперечисленное позволяет уверенно выделять исследуемый объект [6].

Расчёты по приведенному алгоритму показали, что при изменении сопротивления аномалии по отношению к сопротивлению вмещающей среды в 2 - 10 раз само аномальное поле слишком мало и изменяется максимально в 1,5 раза [7].

Расчёты по приведенному алгоритму показали, что при изменении сопротивления аномалии по отношению к сопротивлению вмещающей среды в 2 - 10 раз само аномальное поле слишком мало и изменяется максимально в 1,5 раза. Однако интенсивность поля у краёв аномальной зоны при том же изменении сопротивлений увеличивается в 2 - 10 раз на фоне нормального. При помещении же исследуемого объекта в область экстремальных значений нормального поля (ПК 5 - 10) краевой эффект аномалии возрастает до 15 раз. При этом поперечные размеры объекта изменяются в

пределах ёа = 10.100 м, вертикальные - в пределах Иа = 5.7 0м при рвм.ср./ра = 2... 10. Значит, по данным математического моделирования получены конкретные геоэлектрические параметры прорывоопасных карстовых зон, представленные в табл. 2.

Рис.2. График распределения аномального поля для карстового

нарушения

Таблица 2

Геоэлектрические параметры аномальных карстовых зон по данным

математического моделирования

Тип геологического нарушения Размеры нарушения, м Ширина детер-минированной аномалии, м Ра, Ом-м рвм.ср./ра Интенсивность аномалии АИЯ-АИнф л= а нф- -100% Аи н.ф.

горизонтальные а,=[ (ди,эАи3]; вертикальные ьа = Лл) Обвод вод-ненное нарушение Необвод-нен-ное нарушение

по центру по границе

Карстовое нарушение 20...60 50.70 30 30. 1500 7.27 0,1. 1,5 85.150 150. 3400

В качестве подтверждения сходимости разработанной математической модели следует привести результаты электроразведочных изысканий, проведенных на ш. Майская Венёвского района Тульской области [8, 9].

На рис. 3 продемонстрировано реальное карстовое нарушение (заштрихованная зона) над одним из выемочных штреков ш. Майская. Конкретный тип аномалии позволил идентифицировать специфический вид графика.

Рис. 3. Результаты реального электропрофилирования на ш. Майская

Прорыва из данного нарушения не произошло, однако его наличие подтвердилось разведочным бурением, что позволяет сделать вывод о высокой сходимости результатов электропрофилирования с действительностью. Однако при интерпретации следует учитывать повышение глубинности залежей, что накладывает на полученную геофизическую информацию дополнительный фон помех, которые обусловлены аппаратурными и методическими погрешностями, блуждающими (промышленными) токами и неоднородностями в разрезе (геологические помехи) [10].

Наибольшую сложность и трудоемкость представляют обработка и интерпретация результатов измерений методом электропрофилирования. Однако в результате применения интерпретационных приёмов рассматриваемое нарушение удалось локализовать с достаточной высокой точностью - между 6-м и 8-м пикетами геофизической сетки.

По результатам проведённых изысканий в сфере математического моделирования и геофизических исследований можно сделать достоверный вывод о достаточно высокой эффективности применения электрометрического профилирования в качестве инструмента разведки и идентификации как обводнённых, так и сухих карстовых нарушений всех типов в кровельных карстующихся породах угленосных залежей Подмосковного угольного бассейна.

Список литературы

1. Гвоздецкий Н.А. Карст. М.: Мысль, 1981. 214 с.

2. Атлас углей Подмосковного бассейна/ В.С. Яблоков [и др.]. Тула: Центральное бюро технической информации, 1962. 196 с.

3. Федынский В.В. Разведочная геофизика. М.: Недра, 1997. 669 с.

4. Жданов М.С. Электроразведка. М.: Недра, 1986. 315 с.

5. Блох И.М. Электропрофилирование методом сопротивлений. М.: Госгеолтехиздат, 1962. 240 с.

6. Логачева В.М., Королева Л.И. Математическое моделирование геоэлектрических условий углевмещающих пород выемочных столбов // Технология разработки и прогнозирование горно-геологических условий залегания угольных месторождений Подмосковного бассейна: сб. науч. тр. / ИГД им. А.А. Скочинского, ПНИУИ. Тула, 1988.

7. Огильви Н.А. Физические и геологические поля в гидрогеологии. М.: Наука, 1974. 198 с.

8. Логачева В.М., Королева Л.И. Расчет нормального и аномального полей в плоско-параллельной геоэлектрической среде // Каталог программных средств: ОФАП уголь - Ильинское, инв. № ИМ 048.1988.

9. Электроразведка: Справочник геофизика. М.: Недра, 1980. 218 с.

10. Логачева В.М., Газизов М.С. Основы гидрогеологической интерпретации данных шахтных электрометрических наблюдений // Совершенствование технологии горных работ и прогнозирование условий зале-

294

гания угля на шахтах Подмосковного бассейна: сб. науч. тр./ ИГД им. А.А. Скочинского, ПНИУИ. 1989. С.82-84.

Логачёва Валентина Михайловна, д-р техн. наук, проф, vmlogacheva@nirhtu. ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Подольский Вадим Александрович канд. физ.-мат. наук, доц., vapodolski@, nir-htu.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Мишанова Валерия Александровна, асп., eodriel@,mail. ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева

KARST DISTURBANCES SURVEY IN ROOFING ROCKS OF COAL MEASURE DEPOSITS OF MOSCOW LIGNITE BASIN WITH ELECTRICAL PROFILING.

V.M. Logacheva, V.A. Podolskii, V.A. Mishanova

Geoelectrical characteristics of karsting rocks composing a roofing of coal beds using Moscow lignite basin as an example have been considered in details. The main identification features of karst disturbances have been extracted on the basis of mathematical modeling. Conclusions of a possibility of conducting such identification, having regard to the typical results of electrometric surveys, have been drawn.

Key words: Moscow Lignite Basin, karst, identification, electrometric forecasting, electrical profiling.

Logacheva Valentina Michailovna, doctor of technical science, professor, vmloga-cheva@,nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of Russian Chemical-Technological University named after D.I. Mendeleev,

Podolskii Vadim Alexandrovich, candidate of physical-mathematical sciences, do-cent, vapodolski@nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of Russian Chemical-Technological University named after D.I. Mendeleev,

Mishamova Valeria Alexandrovna, postgraduate, eodriel@mail. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of Russian Chemical-Technological University named after D.I. Mendeleev

Reference

1. Gvozdeckij N.A. Karst. M.: Mysl', 1981. 214 s.

2. Atlas uglej Podmoskovnogo bassejna/ V.S. Jablokov [i dr.]// Tula: Central'noe bjuro tehnicheskoj informacii. 1962. 196 s.

3. Fedynskij V.V. Razvedochnaja geofizika. M.: Nedra, 1997. 669 s.

4. Zhdanov M.S. Jelektrorazvedka. M.: Nedra, 1986. 315 s.

5. Bloh I.M. Jelektroprofilirovanie metodom soprotivlenij. M.: Gosgeoltehizdat, 1962. 240 s.

6. Logacheva V.M., Koroleva L.I. Matematicheskoe modelirovanie geojelektrich-eskih uslovij uglevmeshhajushhih porod vyemochnyh stol-bov // Sb. nauch. tr. «Tehnologija razrabotki i prognozirovanie gorno-geologicheskih uslovij zaleganija ugol'nyh mestorozhdenij Podmoskovnogo bassejna» / IGD im. A.A. Skochinskogo, PNIUI. Tula, 1988.

7. Ogil'vi N.A. Fizicheskie i geologicheskie polja v gidrogeologii. M.: Nauka. 1974.

198 s.

8. Logacheva V.M., Koroleva L.I. Raschet normal'nogo i anomal'nogo polej v plos-ko-parallel'noj geojelektricheskoj srede // Katalog programmnyh sredstv: OFAP ugol' -Il'inskoe, inv. № IM 048.1988.

9. Jelektrorazvedka: Spravochnik geofizika. M.: Nedra, 1980. 218 s.

10. Logacheva V.M., Gazizov M.S. Osnovy gidrogeologicheskoj in-terpretacii dann-yh shahtnyh jelektrometricheskih nabljudenij // Sb. nauch. tr. «Sovershenstvovanie tehnologii gornyh rabot i prognozirova-nie uslovij zaleganija uglja na shahtah Podmoskovnogo bassejna»/ IGD im. A.A. Skochinskogo, PNIUI. 1989. S.82-84.

УДК 622.235.535.2

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ

МЕТРОПОЛИТЕНА г. ХАНОЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Нгуен Чи Тхань

Отмечено, что сейсмические волны землетрясений могут воздействовать на г. Ханой с интенсивностью от 5 до 7 баллов по шкале Рихтера (по российской М8К-64 шкале - от 5 до 8 баллов). Исходя из данных натурных замеров, значение максимального ускорения движения грунта принимается ag=0,2g, а взаимодействие сейсмических волн с подземными сооружениями рассматривается при средней глубине их залегания Н=20 м с эпицентром землетрясения на расстоянии 20... 50 км. Исследование и оценка основных параметров напряженного состояния обделок тоннелей проводятся с учетом влияния сейсмических волн землетрясений, направленных вдоль оси тоннеля метрополитена Ханоя.

Ключевые слова: сейсмические волны, землетрясение, продольная ось тоннеля, крепь, обделка, параметры напряженного состояния.

Как показывает опыт эксплуатации тоннелей метрополитена Ханоя, необходимо учитывать влияние сейсмических волн на метрополитен, подверженный частым землетрясениям и проводить исследования для разработки рекомендаций по выбору параметров и типа крепи метрополитена г. Ханоя. Рассмотрим результаты расчетов основных параметров напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей при сейсмических воздействиях, направленных вдоль оси тоннеля.

Метод, основанный при равенстве деформаций тоннеля с деформациями «свободного поля». Данный расчетный метод не учитывает в отдельности тоннель и его обделку в грунте: проводится оценка ожидаемой деформации всей структуры в целом для случая, когда жесткость оболочки тоннеля меньше жесткости грунта.

Оценка полей деформаций, напряжений и перемещений в конструкциях под влиянием движения грунта при сейсмических воздействиях,