ПодземноИ наземно-скважинное электрометрическое и геоэкологическое исследование надугольных пород выемочных столбов шахт Подмосковного бассейна

УДК 622.27:550.3

В.М. Логачева, д-р техн. наук, проф., декан

ПОДЗЕМНО- И НАЗЕМНО-СКВАЖИННОЕ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАДУГОЛЬНЫХ ПОРОД

ВЫЕМОЧНЫХ СТОЛБОВ ШАХТ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Проведен анализ подземно- и наземно-скважинного электрометрического и геоэкологического исследования надугольных пород выемочных столбов шахт Подмосковного бассейна.

Ключевые слова: надугольные породы, выемочные столбы, электрометрические исследования.

Опыт применения электрометрических работ для геоэкологического исследования нарушенных и обводненных зон в надугольных породах выемочных столбов шахт показал, что применение одного метода или модификации недостаточно для обеспечения эффективного и достоверного прогноза. При этом установлено, что рациональным является применение электростатического метода, в котором в качестве поискового выбрана модификация полевого электрометрического метода и детализационного, получившего в ПНИУИ название комбинированного полевого и подземного способа электрометрии (КСППЭ). На основании проведенных исследований методически и физически более правильно называть их наземно-скважинным и подземно-скважинным методами исследований (рис. 1).

Использование обсадных колонн скважин обусловлено следующими объективными обстоятельствами. В связи с выходом старых шахт на периферийные участки и вводом новых шахт со сложными гидрогеологическими условиями и большой глубиной залегания угольного пласта (130 м) технические требования к достоверности геофизических исследований, естественно, повышаются. На старых шахтах с глубинностью исследований до 40 м и при отсутствии мощных слоев известняков метод электропрофилирования в модификации срединного градиента позволял выявлять геологические нарушения с требуемой надежностью. Для проведения полевых исследований в присутствии мощного слоя известняка, который является изолятором, потребовалось приближение питающих электродов к исследуемому объекту в надугольном горизонте. Поэтому в качестве заземлителей питающей линии АВ стали применять обсадные колонны скважины.

Использование обсадных колонн скважин в качестве питающих электродов для создания целенаправленного поля в связи с поисками глу-бокозалегающих объектов является одним из возможных и более эффективных решений. Шахтные поля бассейна имеют серию обсаженных сква-

жин: водопонижающих, гидронаблюдательных, водопоглощающих и др. На поверхности выемочного столба находятся устья этих скважин, количество которых вполне достаточно для проведения полевых и подземных электрометрических исследований всей площади выемочного столба с несколькими разносами АВ без дополнительного бурения.

jРис. 1. Горно-геофизическое обоснование применения КСППЭ

1 - геологическое нарушение; 2 - геоэлектрические горизонты; 3 - линии электрического тока; 4 -измеритель АВ - питающие электроды; MN - измерительные электроды

mi... m5 ; pki - Рк5 - соответственно мощность и кажущееся сопротивление геоэлектрических горизонтов

1 - горные выработки; 2 - измеритель; 3 - геологическое нарушение; 4 - линия электрического тока; 5 - питающие электроды в скважинах; 6 -источник питания электрического поля

Размещение питающих элементов в обсадной скважине для изучения геологического разреза обретает все большее значение не только в связи с достаточным развитием сети скважин, но и потому, что это открывает новые возможности в повышении разрешающей способности метода электроразведки.

Для анализа разрешающей способности электроразведочных методов геофизики, изучения закономерностей влияния параметров строения геологической среды на измеряемое поле, исследования характерных особенностей поведения поля в конкретных ситуациях проводилось математическое моделирование. Физический процесс характера стекания тока с поверхности металлической трубы колонны в исследуемую геологическую среду представлен на основе теории линейных заземлителей. Анализ расчетов показал, что величина стекающего с забоя скважин тока (при заземлении источника на устье) уменьшается в 10 раз по отношению к заданному. Для обеспечения необходимой силы тока пропускания (задающего) применяется универсальная электроразведочная станция (УЭРС), разработанная в Подмосковном НИУИ.

В основу станции УЭРС положена схема тиристорного преобразователя напряжения, обеспечивающего постоянный и низкочастотный ток

силой 10...40 А. Монтируется станция на базе автомашины УАЗ-469 с прицепом. Источником постоянного тока служит генератор, приводом которого является двигатель автомашины, а измерителем - аппаратура типа ИКС-1 или АНЧ-3. Мощность генератора достигает 16,2 кВт при напряжении до 460 В. Применение УЭРС позволяет заглушить промышленные помехи, уровень которых на шахтах приблизительно равен 30...40 мВ. В состав станции входят следующие узлы: генератор постоянного тока, ведущий низкочастотный генератор, пульт управления, измерительные приборы, питающие и измерительные электроды, двухбарабанная лебедка, блок питания задающего генератора и защитные элементы станции. Аппаратура отвечает основному техническому требованию, которое заключается в обеспечении требуемой точности измеряемых величин при достаточно высокой производительности полевых работ.

Итак, методика проведения электрометрических исследований включает в себя следующие этапы:

- площадные (основные) поисковые электрометрические измерения в модификации срединного градиента с заземлителем АВ на обсадные трубы (наземно-скважинный электрометрический метод - НСЭМ) (рис. 2,а);

- детализационные профильные электрометрические измерения в штреках с заземлением АВ с поверхности на устье обсаженных скважин (подземно-скважинный электрометрический метод - ПСЭМ) (рис. 2,6). Такой выбор основан на широком использовании практических исследований на шахтах бассейна с учетом геолого-экономической эффективности электрометрических исследований и подтвержден теоретическими расчетами и математическим моделированием распределения физических процессов в массиве горных пород. Рациональность метода отвечает требованиям разрешающей способности методов при конкретно поставленной горногидрогеологической задаче, которые необходимо предусматривать при комплексировании методов.

Рис. 2. Технологические схемы проведения измерений: а- метод наземно-скважинной (НСЭМ) электрометрии; б-метод подземно-скважинной (ПСЭМ) электрометрии

Наземно-скважинная электрометрия прогнозирования прорыво-опасных зон проводится в следующей последовательности. На дневной поверхности обеспечивается геодезическая привязка площади выемочного столба, подлежащего исследованию, затем эта площадь разбивается геофизической сетью - пикетами наблюдений, а питающие электроды АВ заземляются на устья обсадных колонн скважин, расположенных за пределами выемочного столба. Станция УЭРС располагается в удобном для машины месте. НСЭМ применяется для получения общей картины распределения геологоэлектрических характеристик в разрезе и по площади выемочного столба. При съемке питающие линейные электроды А и В остаются неподвижными, а измерительные ММ перемещают вдоль профилей, параллельных линий АВ с определенным шагом наблюдений. Совокупность этих профилей образует планшет съемки. То есть имеет место метод электропрофилирования в модификации срединного градиента, которому отдается приоритет как самому мобильному недорогому и высокопроизводительному методу электроразведки. Традиционно при этом расстояние между крайними профилями планшета и длина профилей не должна быть больше 1/3 АВ. Планшет размещают в пределах средней часта линии АВ, потому что в этой области нормальное поле близко к однородному и здесь наиболее четко проявляется степень влияния изучаемых объектов на электрическое поле. Однако результаты математического моделирования показали, что измерение поля может проводиться и вблизи питающих линейных электродов (скважин) с учетом тренда нормального поля при интерпретации полученной информации. Таким образом, размеры питающей линии АВ должны выбираться практически удобными и соответствовать длине выемочного столба имеющихся обсадных колонн скважин. По результатам опытных работ на шахтах, изучению и анализу схем раскройки шахтных полей и сети бурения скважин, с помощью величины глубинности исследований И, которая связана соотношением АВ = (10-15)Ь, получены следующие размеры питающей линии: АВ = 500,1000,1500 и 2000 м. Разносы измерительных электродов ММ определяются размерами изучаемых объектов и требуемой детальностью исследований.

Согласно данным анализа параметров геологических нарушений оптимальными поперечными размерами являются размеры 30...50 м. Результаты анализа методов математической фильтрации геофизических данных и по данным математического моделирования достаточным условиям является зафиксировать хотя бы одной точкой измерения ММ аномальную зону. Поэтому применяемый в условиях бассейна масштаб электропрофилирования 1:1000 является оптимальным и размер измерительной установки ММ принимается равным 10 м. При необходимости возможна детализация при ММ = 5 м в аномальных зонах. Для устранения помех от неоднородностей в поверхностном слое необходимо применять два разно-

са, например, при длине выемочного столба 500 м АВ=500 м и А1В1 = 1000 м, а при 1000 м АВ =1000 м и А1В1 = 2000 м.

Выполнение следующего этапа геоэкологических и электрометрических исследований - подземно-скважинной электрометрии - осуществляется либо одновременно с НСЭМ в случае работы двух геофизических отрядов, либо после проведения НСЭМ. Физико-математическое направление прогнозирования геологического разреза тесно связано с совершенствованием методов определения геофизического поля в естественном залегании горных пород. Одним из реальных решений этой проблемы является приближение элементов приемно-питающей установки к объекту изучения, то есть применение подземно-скважинного электрометрического метода (ПСЭМ). Опыт выполнения геофизических работ на шахтах показал, что подземно-скважинный метод электроразведки целесообразно применять там, где разрешающая способность других методов недостаточна. Это возникает тогда, когда в геоэлектрическом разрезе имеются мощные высокоомные или низкоомные горизонты, оказывающие экранирующее влияние на результаты измерений. Их роль, например, в Подмосковном бассейне выполняют известняки и глины.

Сущность ПСЭМ заключается в том, что электрическое поле в массиве горных пород возбуждается питающими электродами, которыми являются обсадные колонны скважин, а измерение параметров поля осуществляется в горных выработках с помощью автономной измерительной аппаратуры (см. рис. 2,б). При ПСЭМ в цепи АВ используется мощное электрическое поле, которое позволяет создать на уровне изучаемого горизонта необходимую плотность тока, регистрируемую измерителями, приблизив таким образом измерительную установку к объекту исследований, что повышает эффективность геоэкологического прогноза. Кроме того, это поле обеспечивает получение информации о степени обводненности массива по штрекам и почти не зависит от материала крепи; в выработках с металлической крепью погрешность измерений не превышает 8... 10 %, в других случаях - 3.5 %.

V.M. Logacheva

UNDERGROUND AND GROUND BOREHOLE ELECTROMETRIC AND ENVIRONMENTAL RESEARCHING ENCLOSING STRATA OF MOSCOW BASIN MINES EXTRACTION PILLARS

Analyzing underground and ground borehole electrometric and environmental researching enclosing strata of Moscow Basin mines extraction pillars was submitted.

Key words: enclosing strata, extraction pillars, electrometric researching.

Получено 10.05.12