Изучение, оценка и классификация устойчивости геологической среды с использованием данных активного геофизического мониторинга на основе парадигмы физической мезомеханики

Изучение, оценка и классификация устойчивости геологической среды с использованием данных активного геофизического мониторинга на основе парадигмы физической мезомеханики

О.А. Хачай, О.Ю. Хачай1

Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург, 620016, Россия 1 Уральский государственный университет, Екатеринбург, 620083, Россия

Принципы парадигмы физической мезомеханики являются конструктивным средством для изучения нестационарной геологической среды. Натурные эксперименты в реальных горных массивах, находящихся под сильным техногенным влиянием, позволяют выявить особенности поведения геологической среды, фиксируемые в используемых геофизических полях. Важную роль для исследования таких динамических систем играет активный геофизический мониторинг, который можно осуществить с использованием электромагнитных или сейсмических полей. Предложен новый параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции, определяемый по данным активного электромагнитного мониторинга, позволяющий ввести количественную классификацию состояния массива в рамках трех градаций: устойчивый, неустойчивый и промежуточный. Исследована динамика распределения этого параметра во времени. Осуществлено сопоставление рудничных сейсмологических данных с результатами электромагнитного мониторинга.

Study, estimation and classification of geological medium stability using active geophysical monitoring data and based on physical mesomechanics paradigm

O.A. Khachai and O.Yu. Khachai1

Institute of Geophysics UB RAS, Ekaterinburg, 620016, Russia 1 Ural State University, Ekaterinburg, 620083, Russia

The principles of physical mesomechanics paradigm are a constructive method for the investigation of a nonstationary geological medium. The full-scale experiments in real rocks under strong man-caused action reveal the behavior peculiarities of the geological medium which can be observed in the used geophysical fields. A significant role in this investigation belongs to active geophysical monitoring that can be performed with use of electromagnetic or seismic fields. We propose a new parameter of interval intensity of disintegration zones, which is determined by active geophysical monitoring data. The parameter allows quantitative classification of the rock state within three gradations: stable, unstable and intermediate. The time variation of the parameter is studied. The seismological data obtained in mines are compared to electromagnetic monitoring results.

1. Введение

В настоящее время для более адекватного понимания динамики процессов, происходящих в геологической среде под воздействием как естественных, так и техногенных факторов, академиком Паниным В.Е. на основе результатов, полученных в рамках его школы [1], введена новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела, лежащая в основе физической мезомеханики:

1) идентификация механизмов пластического течения на различных структурных уровнях деформации, приводящих к кардинальному изменению исходной внутренней структуры твердого тела и формированию в нем диссипативных субструктур как мезоскопических носителей пластической деформации;

2) установление связи между внешним воздействием, изменением исходной внутренней структуры, формированием иерархии мезоскопических самосогла-

© Хачай O.A., Хачай O.Ю., 2007

сованных структурных уровней деформации и возникающими вследствие этого механическими полями;

3) синергетический подход в методологии описания деформируемого твердого тела как неравновесной многоуровневой среды, которая в точках бифуркации теряет свою сдвиговую устойчивость на различных структурных уровнях и разрушается в условиях глобальной потери своей сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне.

Для экспериментального изучения механизмов деформации образцов на мезоуровне были разработаны новые методы с использованием спекл-интерферомет-рии, оптико-телевизионных средств технического зрения, измерения фрактальной размерности поверхности деформируемого твердого тела. Оказалось, что на мезо-уровне как целое движутся трехмерные структурные элементы (мезообъемы). В этом случае достаточно рассмотреть представительный объем, состоящий из нескольких десятков мезообъемов, чтобы записать уравнения мезомеханики, учитывающие внутреннюю структуру деформируемого твердого тела.

Для осуществления второго пункта новой парадигмы Паниным В.Е. с соавторами была выписана система уравнений, описывающих механическое поле в деформируемом твердом теле [2]. Оказалось, что она подобна уравнениям Максвелла для переменных электромагнитных полей. Подобно электромагнитному полю, в котором взаимосвязаны переменные электрические и магнитные поля, в деформируемом твердом теле возникает единое механическое поле, содержащее органически взаимосвязанные трансляционную и поворотную моды [2].

Этот результат оказался чрезвычайно важным при выборе геофизических методов, используемых в рамках мониторинга структуры и состояния массива горных пород, находящихся под сильным техногенным воздействием.

Для изучения процессов изменения структуры и состояния массивов горных пород, находящихся под сильным техногенным воздействием, впервые, именно при использовании разработанной в Институте геофизики УрО РАН попланшетной электромагнитной методики, удалось в рамках натурных исследований реализовать идею выявления зон дезинтеграции в массиве горных пород и организовать мониторинг их морфологии [3, 4]. Используемая методика относится к геофизическим методикам неразрушающего контроля. Она отличается от известных ранее методик просвечивания или томографии системами наблюдения и последующим методом интерпретации, основанной на концепции трехэтапной интерпретации [5, 6].

В работах [7, 8] описаны первые натурные результаты по обнаружению явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии и спо-

собу разработки критериев устойчивости на основе предложенной методики классификации. Эти результаты получены на основе анализа нескольких циклов электромагнитного мониторинга массива удароопасного Таштагольского подземного рудника, проведенных в 2000-2004 гг. в ряде выработок, расположенных на четырех горизонтах на глубинах от 540 до 750 м, с целью выявления морфологии зон дезинтеграции в око-ловыработочном пространстве в массиве горных пород, находящемся под интенсивным техногенным воздействием и влиянием естественного поля напряжений.

С использованием математического аппарата интерпретации данных электромагнитных исследований [5, 6] была проведена количественная интерпретация. В результате построена объемная геоэлектрическая модель массива на четырех горизонтах, которая представляет собой блоковый разрез с неоднородностями меньшего ранга. Каждая такая неоднородность описывается моментом М0 эквивалентного сингулярного источника электрического типа (токовая линия). Он пропорционален относительной контрастности проводимости в локальной зоне неоднородности и во вмещающей среде, длине токовой линии и зависит от частоты в случае вложенного строения выделенной локальной зоны, i — номер источника. В работе [8] анализируется морфология зон дезинтеграции в почве массива, выявленная по данным электромагнитного индукционного мониторинга в разные годы и в разных выработках. Они разнесены по вертикали на 140 м и по горизонтали на 330 м. Изучение установления подобия структур и их фрактальной размерности позволит понять процессы, происходящие в массиве, которые можно зафиксировать по данным геофизического мониторинга.

2. Обсуждение результатов активного электромагнитного мониторинга

Далее в работе [8] для осуществления количественной оценки устойчивости массива относительно сильных динамических его проявлений введен безразмерный интегральный параметр поинтервальной интенсивности зон дезинтеграции 5^ (N, Т), выявленных по данным электромагнитного индукционного мониторинга:

5 pmt( N, Т) = £М0,

2=1

где N — номер интервала, на которые разбивается подпочвенное выработочное пространство: N= 1 (0.. .1 м), 2 (1.2 м), 3 (2.3 м), 4 (3.4 м), 5 (4.5 м), 6 (5.6 м), 7 (6.7 м), 8 (7.8 м), 9 (8.12 м), 10 (12.17 м); Т— циклы измерений: Т= 1 (2000 г.), 2 (2001 г.), 3 (2002 г.),

4 (2003 г.), 5 (2004 г.); К= kN — количество выделенных неоднородностей в пределах интервалов N по всей длине выработки.

Таблица 1

№ 1-я группа 2-я группа 3-я группа

1 Горизонт -140, орт 3 Горизонт -210, орт 2 Горизонт -210, орт 8

2 Горизонт -350, орт 20 Горизонт -350, орт 18 Горизонт -280, орт 8

3 Горизонт -210, орт 4 Горизонт -350, орт 19

Анализируя результаты, полученные для трех частот 20, 10, 5 кГц, можно разбить эти орты на три группы (табл. 1), обращая внимание только на количественные значения 5р;п((N, Т): 1-я группа — до 30, 2-я группа — от 30 до 40, 3-я группа — более 40.

Структура массива 1 -й группы независимо от глубины залегания орта характеризуется установлением устойчивой упорядоченности распределения параметра

5р;п( (Ы, Т) от контура вглубь почвы, особенно это характерно для 4 орта-210 горизонта, где были предприняты повторные измерения в течение трех последних лет, а в 2004 г. измерения проводились до и после массовых взрывов. В свою очередь 4-й орт проходит по охранному целику, результаты нашего исследования свидетельствуют об устойчивости его состояния. Распределение параметра 5р;п( (^ Т) для массива второй группы характеризуется ежегодным изменением своей упорядоченности по интервалам от контура выработки вглубь почвы, при этом имеет место частотная несогласованность этих изменений, однако амплитуда таковых изменений ограничена. По всей вероятности, состояние этого массива можно характеризовать как квази-устойчивое. Для массива третьей группы особенности распределения параметра 5 (N, Т), указанного для

массива второй группы, только увеличиваются по своей амплитуде, а массив можно характеризовать как потенциально неустойчивый. Следует отметить, что в 20022003 гг. наиболее сильные динамические проявления имели место именно вблизи 8-х ортов -210 и -280 горизонтов, орт 19 горизонта -350 также выделяется как аномальный. Этот прогнозный результат нашел свое подтверждение в июле 2006 г. После массового взрыва, произведенного в непосредственной близости от 19 орта горизонта -350 на базе 25.30 м произошел горный удар с энергией 105 Дж. При этом массивы 18 и 20 ортов, расположенных слева и справа на расстоянии 30 м от 19 орта, не пострадали. Таким образом, анализ данных электромагнитного мониторинга в рамках многоранговой модели позволил произвести правильную классификацию массивов по устойчивости и выделить массивы, склонные к сильным динамическим проявлениям.

3. Сопоставление результатов электромагнитного

и сейсмологического мониторинга

Представляет интерес сопоставление результатов электромагнитного активного мониторинга горного

массива с энергетическими данными о массовых взрывах и динамических проявлениях в том же объеме. Время осреднения составляет один год, т.е. промежуток времени между циклами мониторинга.

На рис. 1 приведены данные поглощенной Еп и выделенной Ев энергии в массиве горных пород перед каждым циклом электромагнитного мониторинга, промежуток времени — один год.

Из этих данных следует, что избыточное выделение энергии массивом, а следовательно, интенсивное тре-щинообразование наблюдалось в период между вторым и третьим циклом электромагнитного мониторинга. Проанализируем распределение безразмерного параметра суммарной интенсивности зон дезинтеграции

х p = Е W N.T)

N

в почве для различных ортов и горизонтов за шесть циклов наблюдения (рис. 2) и произведем пространственно-временную классификацию массивов по степени наибольшей зависимости «воздействие - отклик».

Как видно, распределение во времени параметра Sp для массива ортов 7-8 , горизонта -210 (рис. 2, а) наилучшим образом согласуется с геомеханической ситуацией усиленного трещинообразования и выделения энергии в рамках динамических проявлений в виде толчков и горных ударов в период между вторым и третьим циклами наблюдения (рис. 1). При этом имеется частотное подобие этого распределения (рис. 2, а) и наибольшие значения этого параметра имеют место для частоты 5 кГц, что свидетельствует о том, что процесс

Временные интервалы

Рис. 1. Изменение во времени поглощенной и выделенной энергии в объеме горного массива в пределах объема проведения электромагнитного мониторинга

Временные интервалы

Временные интервалы

600

400

200

Горизонт -350, орт 19

Временные интервалы

2 3 4 5

Временные интервалы

Временные интервалы

Частота ♦ 5 кГц

Временные интервалы

- -  - - 10 кГц

— а- - 20 кГц

Рис. 2. Распределение параметра суммарной интенсивности зон дезинтеграции Sp в почве для различных ортов и горизонтов за шесть циклов электромагнитного мониторинга с периодичностью в 1 год. Условные обозначения оси Х те же, что на рис. 1

изменения структуры массива охватывает не только при-контурную часть массива, но и более глубинные его участки, и эта перестройка происходит подобным образом.

Для массива орта 18 горизонта -350 значения меньше по амплитуде, однако морфологически это распределение совпадает с распределением 5^ для ортов 7-8 горизонта -210. При этом максимум амплитуды для третьего цикла наблюдений зафиксирован на частоте 20кГц и минимум — на частоте 5 кГц. Это означает, что перестройка структуры массива происходит подобным образом в приконтурной его части и в более глубокой части, однако наиболее сильно процесс развивается вблизи контура.

Этот же эффект наблюдается и для массива горизонта -210 орта 2 (рис. 2, в). При этом усиливается расхождение распределения для частоты 5 кГц и 10, 20 кГц во время третьего цикла наблюдений.

Далее идут массивы, которые реагируют с запаздыванием на усиление техногенного воздействия, особенно этот эффект проявился для массива орта 19 горизонта -350 (рис. 2, г) с очень сильной частотной дисперсией, максимум распределения приходится для частоты 20 кГц и на цикл наблюдения 2003 г., а не 2002 г., как для предыдущих двух массивов. Для массива орта 20 горизонта -350 (рис. 2, д) значения распределения параметра 5р значительно меньше, чем для предыдущих участков. Однако на шестом цикле мониторинга наблю-

Таблица 2

Динамические проявления в пределах ортов, в которых проводились электромагнитные мониторинговые исследования за 2000-2005 гг.

Дата, время Поглощенная энергия в виде массового взрыва Еп, Дж Вертикальная отметка Выделенная энергия Ев, Дж Место динамического проявления

27.02.2000, 1:00 9466060 -181 6312479 орт 7, запад

-305 161625.4 орт 11-12, восток

02.04.2000, 0:00 6351357 -292 210702.1 орт 10-11, центр

15.04.2000, 7:00 5602385 -139 1296023 орт 6, запад

21.05.2000, 0:08 95178800 -165 2093358 створ 9 орта, район склада ВВ

09.07.2000, 4:00 248908096 -233 161625.4 орт 5-6, центр

Первый цикл активного электромагнитного мониторинга

11.02.2001, 1:00 2074219.25 -156 1503734 орт 3-4, запад

18.02.2001, 1:56 5602385 -217 1296023 орт 2, центр

08.04.2001, 0:00 2074219.25 -284 161625.4 орт 20-21, запад

30.04.2001, 7:12 14050684 -336 311872 орт 13, центр

Второй цикл активного электромагнитного мониторинга

28.10.2001, 1:00 16790234 -228 161625.4 орт 5, центр

13.01.2002, 1:00 6351357 -153 130090 орт 2, центр

03.02.2002, 1:00 4.6Е+06 -394 74858960 створ 22 орта, восток

28.07.2002, 4:00 445990144 -312 1254049 орт 12-13, центр

-206 4588657 орт 12, запад

-290 306204.7 орт 8, центр

-231 3174153 орт 2, центр

Третий цикл активного электромагнитного мониторинга

08.12.2002, 15:01 2930096 -379 165401.8 орт 11, восток

02.02.2003, 8:00 3174153 -236 165401.8 орт 28-29, восток

15.06.2003, 7:59 3982930.75 -213 2478643 орт 5, запад

13.07.2003, 8:00 1.5Е+04 -213 2478643 орт 5, запад

Четвертый цикл активного электромагнитного мониторинга

24.08.2003, 8:00 57544000 -350 3174153 орт 6, восток

-293 677396.3 СЗПШ, створ 12 орта

-349 14050685 восток, створ ЮСВШ

14.09.2003, 8:01 6 508400 -240 1.1Е+08 западный створ 11 орта, район СЗПШ

12.10.2003, 14:29 3.5Е+08 -235 1299985 орт 19, запад

-163 253112.4 район склада ВВ

-193 100000 ЮВ участок, за шахтным полем

16.11.2003, 15:08 165401 -305 2190742 ЮСВШ, центр

23.11.2003, 8:00 6351358 -360 100000 орт 17-18, центр

21.12.2003, 16:48 6.0Е+06 -133 100000 орт 1-2, центр

11.01.2004, 8:00 1254048 -230 100000 орт 4-5, восток

25.01.2004, 8:01 2074219.5 -141 100000 орт 4-5, запад

15.02.2004, 8:00 306204.75 -146 2074220 орт 2, центр

-320 100000 орт 16-17, центр

21.02.2004, 8:00 3174153 -160 677396.3 орт 5, запад

22.02.2004, 8:00 4588657 -243 1254049 орт 5, восток

29.02.2004, 8:00 1714574 -401 306204.8 орт 11, восток

-141 100000 орт 5-6, запад

21.03.2004, 12:45 3.9Е+08 -215 306204.8 орт 3, восток

-362 8494880 орт 17-18, восток

11.04.2004, 8:00 2074219.5 -400 100000 СВ, за шахтным полем

-285 206292.6 орт 16-17, восток

-334 2478643 орт 17, центр

28.04.2004, 5:06 4.4Е+05 -116 100000 орт 2, запад

08.05.2004, 7:00 77 550.7 -367 100000 орт 15, центр

30.05.2004, 4:00 134452048 -367 100000 орт 15, центр

Пятый цикл активного электромагнитного мониторинга

19.09.2004, 4:00 104194280 -310 306204.8 орт 24, запад

-201 5806075 орт 3, восток

05.12.2004, 1:00 3430796.5 -213 253112.4 орт 4, восток

-231 100000 орт 8-9, центр

30.01.2005, 1:00 3174153 -211 677396.3 орт 9-10, центр

06.02.2005, 2:58 1254049 -170 677396.3 запад, створ 13 орта

08.05.2005, 0:19 3174153 -228 143 567.9 запад, орт 10-11

22.05.2005, 0:00 46 886.2 -228 143 567.9 запад, орт 10-11

Шестой цикл активного электромагнитного мониторинга

дается резкое увеличение значения для 20 кГц, что может свидетельствовать об усилении активизации массива в приконтурной его части в пределах орта 20.

Распределение параметра для массива орта 4 горизонта -210 (рис. 2, е) свидетельствует о его высокой чувствительности к геодинамическим перестройкам в массиве, принадлежащем области проведения электромагнитного мониторинга (рис. 1), и способности подстраиваться к этим изменениям. Так, например, по сейсмологическим данным (рис. 1) имеются два максимума относительной выделяемой энергии массивом, соответствующие 2002 и 2005 гг. Однако в 2002 г. интегральное значение выделенной энергии за период 20012002 гг. превышает соответственно значение поглощенной энергии, а в 2005 г. оно значительно меньше. По данным распределения параметра 5р мы видим, что первый максимум приходится на третий цикл наблюдения, т.е. на 2002 г., и распределение носит согласованный по частоте характер, а второй максимум приходится на пятый цикл измерения, т.е. на 2005 г., при этом значения его для частоты 5 кГц значительно отличаются от значений 10 и 20 кГц, т.е. процесс структурной перестройки массива во втором периоде носит еще прикон-турный характер. При этом абсолютное значение амплитуды 5р минимальное по сравнению с предшествующими участками исследования. Такими свойствами обладают устойчивые массивы. Этот вывод совпадает со сделанным раньше по классификации массивов с использованием параметра 5р;п(: массив орта 4 горизонта -210 был отнесен к устойчивым массивам.

В табл. 2 приведены данные, являющиеся выборкой из сейсмологического мониторинга, производимого на Таштагольском руднике сотрудниками службы горных ударов В.К. Климко, О.В. Шипеевым и др. Результаты электромагнитных натурных исследований получены совместно с Е.Н. Новгородовой, Т.А. Хинкиной. Всему коллективу авторы приносят большую благодарность.

4. Заключение

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Принципы парадигмы физической мезо-механики являются конструктивным средством для изучения нестационарной геологической среды. Натурные эксперименты в реальных горных массивах, находящихся под сильным техногенным влиянием, позволяют выявить особенности поведения геологической среды, фиксируемые в используемых геофизических полях. Важную роль для исследования таких динамических систем играет активный геофизический мониторинг, который можно осуществить с использованием электромагнитных или сейсмических полей. Как показал опыт наших исследований, изменение состояния системы на

используемых пространственных базах и временах проявляется в параметрах, связанных со структурными особенностями среды второго ранга. Таким образом, изучение динамики состояния массива, его структуры и явлений самоорганизации в нем можно вести геофизическими методами, настроенными на многоранговую иерархическую модель среды. Использование попланшетной многоуровневой индукционной электромагнитной методики с контролируемым источником и соответствующей методики обработки и интерпретации позволяет выявлять зоны дезинтеграции, являющиеся индикатором устойчивости массива. Введение нового интегрального параметра — поинтервального распределения интенсивности зон дезинтеграции — позволяет перейти к детальной классификации массива по степени устойчивости, ввести для этого количественные критерии и характеризовать устойчивость массива с точки зрения выхода на стационарную цикличность положения максимума параметра 5 в зависимости от глубины от контура. Сопоставление с данными сейсмологического мониторинга позволило осуществить геодинамическую классификацию массива с использованием интегрального параметра .

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 02-05-64229 и целевых программ по наукам о Земле и интеграционных проектов УрО, СО и ДВО РАН.

Литература

1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.

2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е., Бухбиндер И.Л., Кульков С.Н. Спектр возбужденных состояний и вихревое механическое поле в деформируемом кристалле // Изв. вузов. Физика. -1987. - Т. 30. - № 1. - С. 34-51.

3. Хачай О.А., Новгородова Е.Н., Хачай О.Ю. Новая методика обнару-

жения зон дезинтеграции в околовыработочном пространстве массивов горных пород различного вещественного состава // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2003. - № 11. -С. 26-29.

4. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения, состояния геологической гетерогенной среды и их динамики в рамках дискретной и иерархической модели // Геомеханика в горном деле. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003. - С. 30-38.

5. Хачай О.А., Влох Н.П., Новгородова Е.Н., Хачай А.Ю., Худяков С.В.

Трехмерный электромагнитный мониторинг состояния массива горных пород // Физика Земли. - 2001. - № 2. - С. 85-90.

6. Хачай О.А. К вопросу об изучении строения и состояния геологи-

ческой гетерогенной нестационарной среды в рамках дискретной иерархической модели // Российский геофизический журнал. -2004. - № 33-34. - С. 32-37.

7. Хачай О.А. Явления самоорганизации в массиве горных пород при техногенном воздействии // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. -Спец. выпуск. - Ч. 2. - С. 292-295.

8. Хачай О.А. Изучение самоорганизации в иерархических структурах

на основе данных пространственно-временного электромагнитного мониторинга удароопасных массивов горных пород // Российский геофизический журнал. - 2005. - № 37-38. - С. 24-28.

Поступила в редакцию 19.09.2006 г.