Расчёт параметров метода электрометрического прогнозирования состояния массива горных пород

УДК 622:550.3

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

В.М. Логачева

Обоснованы параметры электрометрического прогнозирования аномальных зон в углевмещающем комплексе горных пород. Приведены формулы изменения плотности тока в зависимости от глубины исследований. На основании результатов анализа был проведён выбор размеров питающих и приёмных диполей для обеспечения оптимальных условий полевой электроразведки.

Ключевые слова: электроразведка, аномальная зона, размеры диполей, плотность тока, углевмещающие породы.

Систематические геофизические исследования в Подмосковном угольном бассейне начали проводиться в ПНИУИ в конце 50-х и в начале 60-х годов с целью повышения эффективности осушительных работ путем выявления нарушенных и обводненных зон в углевмещающих породах и угольном пласте. Из полевых методов очень широкое применение получил метод электрического профилирования в модификации срединного градиента, проводимый сначала с серийной аппаратурой ИКС-50, а затем с аппаратурой УЭРС (универсальная электроразведочная станция), разработанной в 1978 году в ПНИУИ. Тридцатилетний опыт проведения геофизических работ по обнаружению нарушенных и обводненных зон в углевмещающих породах выемочных столбов шахт показал, что применение одного метода или модификации недостаточно для обеспечения достоверного прогноза. Для прогнозирования горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений Мосбасса применяются в подземном варианте электроразведка и сейсморазведка. Электроразведка является ведущим геофизическим методом для решения практически всех основных гидрогеологических задач, связанных с выяснением условий обводненности шахт. Метод электрометрического прогнозирования горногеологических условий залегания углевмещающих пород в различных модификациях применяется в настоящее время во всех крупных угольных бассейнах страны. Выбор этого метода обусловлен:

- наличием аппаратуры, позволяющей его применение на шахтах;

- высокими технико-экономическими показателями;

- положительными результатами применения метода на шахтах.

Поскольку обводнённые зоны в углевмещающих породах и геологические нарушения угольного пласта уже при поперечных размерах в 10 м представляют опасность при ведении горных работ, то сеть наблюдения должна быть 10x10 м, т.е. зоны площадью около 100 м должны отмечаться не менее чем 2-3 точками геофизических наблюдений [1].

При сетке наблюдений 10x10 м и поперечных размерах аномалеоб-разующих зон около 10 м и более приёмный диполь (МЫ) принимается 510м. С другой стороны, чем меньше МЫ, тем условия необходимости подавления промышленных и естественных электрических помех лучше. Для дальнейших расчетов принимается МЫ = 10 м.

В электроразведке за исходную формулу принимается

рК = АИмЫ. К,

I

АВ

где рк - кажущееся удельное сопротивление; понятие «кажущееся» вводится потому, что в реальных условиях показатель рк отражает многофакторность как в самом массиве, так и в способах измерения; К - геометрический коэффициент, учитывающий размеры и расположение питающего (АВ) и приёмного (МЫ) диполей на местности, размерность в метрах.

2р

К =

1111

ГАМ ГВМ ГАЫ ГВЫ

где 2р = 6,28; гАМ - соответствующее кратчайшее расстояние между питающим (А) и приёмным (М) электродами, м; АИМЫ - разность потенциалов между электродами МЫ, мВ; 1АВ - сила тока в цепи АВ, А[2,3].

При расчёте рк размерности АИМЫ и 1АВ приводятся в соответствие, т.е. вольт-амперы. Следовательно, рк характеризуется размерностью Омм. Численная величина АИМЫ определяется следующей зависимостью:

Аи = 1 'рМЫ • 1

^иМЫ Jo ГК АМЫ’

где 10'- плотность тока на участке МЫ, А/м2; рМЫ - кажущееся удельное электрическое сопротивление массива на участке МЫИ, где И - глубина максимального расхода электрического тока (до 70 %); 1МЫ - длина приёмного диполя, м.

В таблице приведены формулы и численные значения _]0' и 1 при соответствующих геоэлектрических условиях, где р1 - удельное электрическое сопротивление первого (ближайшего к наблюдателю) геоэлектриче-ского слоя, р2 - второго слоя. Откуда видно, что присутствие в разрезе высокоомного слоя (р2 > р1 в 5 раз) обусловливает более высокие значения АИМЫ при прочих равных условиях.

При условии линейности (параллельности) распределения плотности тока в массиве, т.е. АВ >> И, во втором слое численные значения ^ мало отличаются при И от 20 до 100 м. Расчеты показывают, что при МЫ = 10 м получены численные значения более 5 мВ, если рк = 100-200 Омм.

Результаты расчетов распределения плотности электрического тока

в неоднородной среде

. _ 4 -1(1-К) АВ ,1 _ 41 г 1 К-АВ ] ^ _ п (АВ2 + 4И2)3/2 .° _ п ГАВ ' (АВ2 +16И2)3/2]

¡ь • 10-5, А/М2

АВ, м 600 800 1000

10 20 10 20 10 20

а а со сЧ ся со со сЧ ся со СО сЧ ся со со сЧ ся СО со сЧ с^ СО сЧ С^

\ со ся со сЧ со ся СО (Ч со ся со сЧ со ся со сЧ с^ с^ сЧ с^ со сЧ

.1 .0 ся .4 8 ся .5 8 00 .5 $ .8 сК 10.56 11.76 2.16 4 со .2 2.98 3.32 4.32 4.68 6 .5 6.62 2 «о 9 4!0 2.12 3.04 3.40 3.82 4 ся .4

о 00 ся 5 со ,2 г- $ ,5 ,4 «О ,3 4 СО ,2 8 «О, 2 СО, & ,0 ¡8 ,0 71 со 5 40 ,2 8 2 со, ©, 5 00 ,0 С8 ,0 ,0 Е9 ,2 1^4 <ч ,0

40 «о г- ся со ,2 4 0 «о, ,5 40 ,4 3,44 8 ся ,2 6 «О, СО, 8 ,0 5 40 ,0 3 СО* 2 40 ,2 6 0 СО, 0 ©, 0,84 2 4!0 ,0 0,42 ,2 9 40, 6 С^ч 0,84

60 ся я ,2 $ 2 СП ,5 4,47 3 ,3 2 ся ,2 3 «о, 8 <4 я ,0 0,64 3,07 7 «О ,2 § 8 СЯ, & ,0 8 ,0 ,0 ,0 5^ ,0

80 2,54 4 ся 9 «о, 6 О, 0 ,5 4,28 3,19 2 ся 0 «о, 5 СЯ 3 ,0 2 40 ,0 0 © ,3 «О ,2 Й 4 СЯ, 0,98 0,82 4!0 ,0 0,40 6 2 С^ч 00 ,0

100 3 ,2 8 ,2 «о, 8, 8 ,4 4,04 8 ,3 о ,2 СЯ, £ ,0 $ ,0 £ ,2 Е? ,2 00 СЯ, ,0 8 ,0 ,0 ,0 5^ 8 ,0

ЛТТ ^ ^мк , лимы .0 ' рк ' мм

2/М А/

§ И А 1200 1600 2000

I, А 10 20 10 20 10 20

а а со сЧ ся со со сЧ ся ГО со сЧ ся со со сЧ СЯ со со сЧ ся СО С^ со

\ со ся со сЧ со СЯ СО сЧ со ся со сЧ со ся со сЧ со С^ СО со сЧ

1 .0 40 о 00 2 со 2.12 2.36 2.66 2.94 0.59 0.66 ? .0 2 00 .0 9 2 со 5 40 8 со .0 .0 0.47 3 «о .0 .0 0.84 5 c^ .0

О р о 9 «о .0 0.44 я .0 8 8 00 .0 8 «о .0 9 СО .0 3 со .0 .0 61 о £ .0 ¡8 .0 .0 3 со .0 5 ся .0 .0 61 01 о 0 .0 .0 2 с^ .0 .0

40 Р о 00 «о .0 ?? .0 9 ся .0 § 71 й .0 8 «о .0 9 со .0 3 со .0 .0 61 о £ .0 ¡8 .0 .0 3 со .0 5 .0 .0 61 01 0 .0 .0 2 с^ .0 .0

60 0.69 0.58 .0 0.29 9 со 6 0.87 0.58 0.39 3 со .0 4 ся .0 0.16 0.78 6 40 .0 .0 0.32 5 .0 .0 0.16 0.10 0 .0 .0 2 со .0 .0

80 00 40 .0 0.57 .0 8 ся .0 7 СП 5 6 00 .0 6 «О .0 9 СО .0 3 со .0 4 ся .0 6 © 8 Г- .0 5 40 .0 .0 2 со .0 5 .0 ся .0 6 О 0.10 0 .0 .0 2 со .0 .0

100 0.67 6 «О .0 .0 8 ся .0 5 со 3 0.84 0.56 0.38 0.32 4 ся .0 0.16 £ .0 5 40 .0 8 .0 2 со .0 5 ся .0 .0 6 0.10 0 .0 .0 2 со .0 0 ся .0

Уровень электрических помех на действующих шахтах находится в среднем на отметках +10 мВ, т.е. оптимальные условия обусловливают необходимость полезного сигнала (ЛИмк) на уровне более 10 мВ, что при 1АВ= 20 А практически обеспечивается. Геологические условия, с точки зрения геоэлектрики, можно разделить на двухслойную среду: низкоомную (р1) и высокоомную (р2). Следовательно, особенности геоэлектриче-

ского разреза должны учитываться при выборе размеров АВ, что делается по формуле:

АВ =

К1-2 =

Р 2 Рі

1 К1-2 Р 2 + Р1

Исследования для выбора оптимального АВ показаны на рисунке.

АВ

6Ь

1 - к

К =

Рі - Р2

Рі + Р2

Исследования зависимости размеров питающего диполя АВ от геолого-геофизических условий

Например, при Ъ = 70 м, р1= 60 Омм, р2= 400 Омм АВ = 600 м. Или на шахте «Эстония» р1 = 40 Омм (суглинки четвертичные), р2 = 500 Омм (известняки ордовика) Ъ = 30 м, то АВ = 2800 м. По вышеописанным

Ь

требованиям оптимальность электроразведки определяется правильным выбором АВ и обеспечением DUmn > 10 мВ (в исключительных случаях 1-3 мВ). Регламентируются и условия заземления электродов А и В, т.е. показатель RAb, который изменяется от 40 до 120 Ом. При АВ = 1000 м уже сопротивление проводов равно около 10 Ом.

Результаты анализа можно представить следующими требованиями:

- сетка разведки (10x10 м) состояния обводнённости надугольных известняков определена поперечными размерами опасно обводнённых и нарушенных зон;

- расчёты распределения плотности тока в двухслойной среде показывают, что оптимальные условия полевой электроразведки обеспечива-

7 2

ются при плотности тока по горному горизонту разведки более 1-10" А/м ;

- дана номограмма для выбора рабочих параметров в питающей цепи АВ по заданной плотности тока (или по заданному среднему DUmn).

- требования к аппаратуре излагаются с учётом задач горного производства и оптимальности плотности тока.

Список литературы

1. Заборовский А.И. Электроразведка. - М.: Гостоптехиздат, 1963.

2. Эквивалентные схемы и параметры приемных линий. Геофизическая аппаратура / А.И. Вешев [и др.] М.: Недра, 1974.

3. Логачева В.М. Оценка физического состояния надугольного комплекса пород на предмет прорывоопасности // Горный информационноаналитический бюллетень (ГИАБ). 2006. № 3. С. 71-73.

Логачёва Валентина Михайловна, д-р техн. наук, проф., vlogache-vaadialog. nirhtu. ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

CALCULATION PARAMETERS THE METHOD ELEC TROME TRICALLY PREDICTION ROCK MASSIF

V.M.Logacheva

The parameters of an electrometrical prediction anomalous zones in complex coala-ceous rocks. Demonstrated formulas current density changes depending on the depth of investigation. Based on the the results of analysis was conducted selection of sizes outstanding and adoptive dipoles to ensure optimal conditions electrical exploration.

Key words: electromagnetics, apparent resistivity anomalous zone, the size of the dipoles, the current density, coalaceous rocks, mesh measurement.

Logacheva Valentina Michailovna, doctor of technical science, professor, vlogache-vaadialog.nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University