Решение геомеханической задачи локального контроля с помощью комплексных геофизических исследований

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

А.М. Мухаметшин, к.г.-м.н., М.В. Яковлев, инж.,

ИГД УрО РАН ИГД УрО РАН

Решение геомеханической задачи локального контроля с помощью комплексных геофизических исследований

Строительство и эксплуатация горных предприятий связаны прежде всего с разрушением, погрузкой и транспортированием горных пород, а также с обеспечением устойчивости подземных выработок. Без знания физикомеханических свойств горных пород, а также без определенного минимума сведений о геодинами-ческих явлениях, происходящих в массиве в результате проявлений горного давления, успешно решать основные задачи горного дела невозможно. Наличие достоверных данных об особенностях проявления горного давления на локальных участках шахтного поля позволяет обосновано переходить к более высокопроизводительным и безопасным системам разработки месторождений, совершенствовать принятые технологические схемы, рационально использовать дорогостоящую погрузочно-доставочную технику и автоматизировать отдельные производственные процессы.

Среди существующих методов исследования горного давления наибольшими практически значимыми возможностями в плане эксплуатационного технологического контроля горного давления обладают геофизические методы, которые позволяют обеспечить как региональный, так и локальный контроль за состоянием массива, а также осуществить автоматизацию сбора, обработки и передачи в единый центр получаемой информации.

К настоящему времени разработано достаточно много приборов, аппаратуры и способов контроля с помощью горной геофизики. Созданная и применяемая на предприятиях аппаратура, как правило, предполагает работу с оператором или группой специа-

листов. Поэтому, обеспечение эксплуатационного контроля за состоянием массива на всех удароопасных горнодобывающих предприятиях существующей аппаратурой потребует больших затрат и привлечения значительного числа высококвалифицированных специалистов для работы в подземных условиях.

Геофизические методы позволяют автоматизировать процессы контроля НДС массива и выполнять их дистанционно. Общеизвестно, что в настоящее время разрабатываются и внедряются опытные образцы автоматической дистанционной аппаратуры контроля за состоянием МГП.

На самом удароопасном среди рудных месторождений, на Североуральском бокситовом руднике, получен наибольший опыт регионального контроля сейсмоактивности шахтных полей и прогнозирования удароопасных участков контролируемого массива горных пород на основе сейсмостанции "Североуральск".

Здесь же проходили опытнопромышленные испытания практически все приборы локального контроля НДС массива ГП. Например, на базе применения сейс-моакустического комплекса типа "Гроза-4" и "Гроза-16" одним из авторов совместно с работниками службы ППГУ рудника была разработана и внедрена методика экспресс-оценки удароопасности МГП.

Разработанный способ основан на существовании для каждого данного месторождения определенного в результате опытно-методических исследований уровня критической интенсивности акустической эмиссии (Т), ниже которого горные удары не происходят.

Способ осуществляется следующим образом. На выбранном участке контролируемого МГП устанавливают измерительную аппаратуру (например, Гроза-4, СБ-28 или подобную). Производят непрерывное во времени измерение интенсивности акустической эмиссии одновременно по двум каналам в различном диапазоне частот.

Первый измерительный канал -широкополосный, полоса пропускания которого находится в максимально возможном диапазоне частот ^^3, а второй - узкополосный, полоса его пропускания находится в диапазоне ^^3. При этом должно соблюдаться условие: ^ ^ ^ .

По мере регистрации сравнивают полученные интенсивности акустической эмиссии по обоим каналам между собой и с критической. При этом, если интенсивность акустической эмиссии N1 в первом канале окажется больше интенсивности N во втором канале, а N значительно больше критической интенсивности акустической эмиссии Т, т.е. N > N >> Т, то участок горных пород относят к повышенно удароопасному - 1 категория. В этом случае происходит интенсивное образование трещин в массиве горных пород, интенсивность акустической эмиссии растет по обоим измерительным каналам, но в большей степени по первому, низкочастотному. Также к первой категории уда-роопасности (удароопасному) относят участок МГП, если окажется, что N1 = N > Т. Такое состояние объясняется тем, что источник акустической эмиссии приближается к точке измерений и вместе с тем растет горное давление, в связи с чем трещины закрываются, а массив горных пород уплотняется.

При N1 = N < Т участок МГП относят к ударноопасному - 2 категория. Это состояние можно объяснить миграцией источника акустической эмиссии с приближением его к точке измерений, либо увеличением горного давления и связанным с этим затуханием акустической эмиссии в массиве. Состояние МГП неустойчивое и горный удар может произойти. И, наконец, при N < N1 < Т участок пород относят к неудароопасному - 3 категория. В этом случае источник акустической эмиссии находится на значительном расстоянии от контролируемого участка МГП и высокочастотная часть импульсов затухает в массиве пород, не доходя до точки измерения.

Разработанный способ экспресс-оценки удароопасности массива горных пород был опробован и внедрен в практику работ службы прогноза и предупреждения горных ударов (ППГУ) СУБРа. Накопленный на шахтах №№ 13, 14, 15 и 16 опыт применения способа позволил выполнить статистическую оценку его надежности, когда с вероятностью динамического явления свыше 75% горнорабочие выводились из удароопасного забоя буквально за 10 минут до горного удара.

Кроме того, здесь же помимо описанного выше сейсмоакустиче-ского метода были опробованы и другие геофизические методы локального контроля и прогноза удароопасности: сейсмический,

электрометрический (мониторинг рк - кажущегося электрического сопротивления), магнитометрический и мониторинг эманации радона.

В результате опытно-методических работ по техническому заданию авторов была установлена возожность прогнозирования горных ударов на основе мониторинга эманации радона, изменения электрического сопротивления, а также по градиенту вектора геомагнитного поля [3].

Как известно, напряжения, существующие в горных массивах, достаточны для значительного изменения магнитных свойств гор-

ных пород, особенно остаточной намагниченности, поскольку остаточная намагниченность более чувствительна к изменению механических напряжений, чем магнитная восприимчивость. Изменение магнитных свойств горных пород, происходящее при накоплении и разрядке напряжений в горных массивах, должны сопровождаться изменением магнитного поля. Связь между магнитными свойствами и напряжениями позволяет не только оценить изменение магнитных свойств по известным напряжениям, но и, что является очень важным, решать обратную задачу.

В связи с вышеописанным, неоспорима перспективность использования методов подземной магнитометрии, как дополнение к уже известным геофизическим методам с целью контроля напряженного состояния массивов горных пород и выделения потенциально удароопасных участков [3].

Подземная магниторазведка имеет в сравнении с другими методами значительно меньшую ма-териало- и трудоемкость и более высокую производительность при выполнении измерений, благодаря чему находит все большее применение в шахтных условиях.

В качестве недостатка этого метода можно отметить то, что получаемые результаты характеризуют состояние пород во всем объеме массива, окружающего точку или профиль измерений. Это обстоятельство вызывает затруднение в интерпретации результатов измерений, т.к. без привлечения дополнительных данных

решение этой, так называемой обратной, задачи является не однозначным. Поэтому применение других методов, как будет показано ниже, позволило получить более полную физическую характеристику исследуемого участка массива при сведенной к минимуму многозначности решения обратной задачи.

В ходе работ, проводимых на шахте 15-15 бис ПО "СУБР" в 1989 году для оценки НДС массива горных пород использовали метод контроля на основе измерения скоростей прохождения сейсмических волн, дополненный подземной магниторазведкой на основе измерений магнитного поля в полости горной выработки. Микро-сейсмические исследования производились в пределах выбранного полигона.

По результатам наблюдений, выполняемых сейсмостанцией "Североуральск", рассматриваемый участок разделяется на две части (рис.1): южную с резко повышенной активностью и северную, на которой сейсмических событий не зафиксировано.

При рассмотрении плана изолиний скоростей упругих волн на этом участке (рис.1) отмечается высокая степень изменчивости "поля" скоростей, когда локальные повышения или понижения скоростей на 1000-2000 м/с на первый взгляд хаотично сменяют друг друга во всех направлениях через 20-50 м. Заметно, что локальные зоны повышения скоростей тяготеют, как правило, к участкам пересечения горных выработок, располагающихся на разных горизонтах, а понижения скоростей - к участкам пересечения (сочленения) горных выработок одного горизонта. Непосредственно в эпицентре сейсмической активности наблюдается аномальное понижение скоростей упругих волн, располагающееся в стороне от зоны пересечения горных выработок. С запада, севера

и востока к участку пониженных скоростей примыкают аномалии повышенных скоростей. По-видимому, такая картина распределения скоростей на изучаемой площади отражает динамику НДС массива горных пород. Предполагается, что в результате множества сейсмических событий МГП имеет повышенную трещиноватость, вследствие чего и происходит понижение скоростей упругих волн на данном участке с сохранением зон повышенных скоростей на периферийных частях сейсмически активной зоны. Этот вывод подтверждается повторными замерами скоростей волн, выполненных в апреле 1990 г., через 8 месяцев после первоначальных измерений и в результате которых при сохранении общей картины плана скоростей на этом участке намечается дальнейшее понижение скорости упругих волн.

Измерения магнитного поля по профилю в АТУ производились с ноября 1989 г. по март 1990 г. с периодом в 1 месяц. С нашей точки зрения, наиболее информативным для прослеживания характеристик НДС массива является градиент наблюденных в разное время аномалий модуля вектора магнитного поля. В результате наблюдений выяснилось, что в пер-

вых ДДТа (рис.2) хорошо коррели-руется с планом сейсмической активности.

Начиная с севера и примерно до 22 пикета наблюдается практически полное совпадение магнитных полей, измеренных в разное время. Следует отметить, что в эту часть входят участки как пониженных, так и повышенных (пикеты 23-26) скоростей упругих волн (рис.1). Далее к югу, примерно до 15 пикета, наблюдается незначительное понижение величины магнитного поля. Отмечено, что скорость понижения с течением времени возрастает. Наиболее резкие колебания (до 20 нТл) магнитного поля отмечаются между пикетами 9 и 15, а также южнее пикета 6. Ближе к эпицентру сейсмической активности колебания магнитного поля со временем затухают.

Таким образом, на данном примере показано, что магнитные

сейсмические данные, взаимно дополняя и уточняя друг друга, при совместной интерпретации позволяют проследить динамику НДС массива горных пород. Кроме этого, следует отметить также и то, что микросейсмические исследования, как наиболее материально- и трудоемкие при длительном контроле состояния массива можно проводить с периодичностью в несколько раз меньше, чем комплексируемый с ним и гораздо более экономичный метод подземной магниторазведки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.С. № 1344914 (СССР). Способ экспресс-оценки удароопасности горных пород. / Дьяковский В.Б., Му-хаметшин А.М., Павлов А.Г. и др. -Б.И., 1988, № 38. - 3с.

2. Уткин В.И., Юрков А.К., Муха-метшин А.М. и др. К возможности прогнозирования времени горных ударов в глубоких шахтах. // Докл на IV Междун. семин. "Напряженное состояние массива горных пород". -

С.-Петербург: ВНИМИ, 1994.-с.173-177.

3. Мухаметшин А.М. Подземная векторная магнитометрия в рудничной геологии. // Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1997.-214 с.

© А.М. Мухаметшин, М.В. Яковлев

А.М. Мухаметшин, к.г.-м.н.,

ИГД УрО РАН

ИЗ ОПЫТА РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ НОВОГО МЕТОДА ГОРНОЙ ГЕОФИЗИКИ - ПОДЗЕМНОЙ ВЕКТОРНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ

Известно, что с различными целями измерения составляющих вектора геомагнитного поля выполнялись с незапамятных времен. Например, в России более ста лет назад уже изготавливались магнитометры - теодолиты Тиберг

- Таллена. С помощью такого прибора известный российский магнитолог Э.Е. Лейст в период 1897-1909 г.г. исследовал Кур-

скую магнитную аномалию, выполняя компонентные измерения на поверхности и в шурфах. К сожалению, практической отдачи, т.е. результативности магнитометрии в разведке этих месторождений, получено не было, что в свое время, по видимому, сыграло негативную роль в развитии магнитных измерений.

На Урале, в Сибири и Забайкалье магнитные измерения также нашли применение. Из известных работ по применению компонентных магнитных измерений в подземных горных выработках следует отметить "новый метод магнитной разведки" (авт. Халилеев П.С., Пономарев В.Н., Булашевич Ю.П., [1]). Описывается опыт

применения градиентометра П.С.

Халилеева, разработанного им для контроля размагничивания стальных корпусов военных кораблей в период 1942-45 г.г. Прибор использовался для разведки магне-титов на нескольких горизонтах Первого северного рудника Ив-дельского района и на слабомагнитном никелевом месторождении Режевского района. Затем был разработан и изготовлен феррозондо-вый магнитометр МП-1 (а.с. № 70922, приор. от 03.02.1947г., авторы Пономарев В.Н., Халилеев П.С.).

Теоретические основы подземной магнитометрии в скважинном варианте были заложены доцентом Свердловского горного института Н.А. Ивановым в его докторской диссертации "Магнитные измерения в скважинах", защищенной в 1954г.

В это же время начинается разработка первого скважинного феррозондового магнитометра. Его прообраз, разработанный В.Н. Пономаревым в коллективе горногеологического института УФАН СССР и составленный из стандартной контрольно-измерительной аппаратуры (ЗГ-10, ЛВ-9 и т.п.), позволил в 1954-56 г.г. его автору выполнить большой объем скважинных измерений, доказывавших практическую значимость и перспективность подземных магнитных измерений для решения задач рудничной геологии.

В 1957-58 г.г. сконструированы и изготовлены скважинные магнитометрические станции СМС-1 и СМС-2. С их помощью измерялись вертикальная компонента вектора геомагнитного поля и магнитная восприимчивость горных пород. Впоследствии, под руководством В.Н. Пономарева в 1959 г. создана более совершенная станция КМКС-3, на базе которой Киевским ОКБ геофизического приборостроения сконструирована аппаратура КМК-3 и КМК-4, выпускавшаяся серийно на Уфимском заводе в течение длительного времени (около 20 лет).

В 1959-60 гг. разработан, изготовлен и испытан Н-магнитометр (авт. В.Н. Пономарев, В.В. Моск-

вин), позволявший измерять горизонтальную компоненту вектора геомагнитного поля в буровых скважинах.

Параллельно ведутся разработки трехкомпонентных скважинных магнитометров с осевой системой ориентации феррозондов (авт. А.Е. Леванто

- Финляндия) и в Ленинграде, в ВИТРе - ТСМ-3, позднее ТСМК-40, ТСМК-30 (авторы А.А. Попов, Е.А. Баринов и др.).

Вопросы теоретического и методического обеспечения метода скважинной магниторазведки решены результатами исследований Пономарева В.Н., Попова А.А., Бахвалова А.Н., Ломакина А.С., Морозова Л.Н., Авдонина А.Н., Рыжего Б.П. и др.

В отличие от вышеупомянутых приборов с осевой системой феррозондов в период 1959-1966 г.г. коллективом авторов (Пономарев В.Н., Булычев В.К., Нехорошков В.Л. и др.) под руководством Пономарева В.Н. разработан и изготовлен комплексный скважинный магнитометр КСМ-38 для непрерывных разновременных измерений всех трех компонент вектора магнитного поля в вертикальной системе координат с диапазоном углов наклона исследуемых скважин 0+35 градусов от вертикали.

На базе скважинных магнитометров, начиная с 1969 г. создается новый комплекс магнитных измерений в скважинах и горных выработках - подземная векторная магнитометрия. Разработан комплексный шахтно-скважинный магнитометр КШСМ-38 (авторы Пономарев В.Н., Мухаметшин

А.М., Нехорошков В.Л. и др.). Прибор, в отличие от подобных, портативный и позволяет измерять все три компоненты вектора магнитного поля в вертикальной системе координат в скважинах и горных выработках с любым углом их наклона от вертикали.

Появление непрерывных трехкомпонентных измерений в таком широком диапазоне углов наклона

решения задач интерпретации получаемых результатов. Выполненные ранее А.Н. Бахваловым теоретические разработки и методика интерпретации результатов измерений в вертикальных скважинах дополнены решениями теории и методикой интерпретации по субвер-тикальным, горизонтальным и суб-горизонтальным линиям наблюдения (авторы Бахвалов А.Н. и Муха-метшин А.М.).

Разработаны качественные и количественные способы и приемы решения задачи интерпретации материалов подземных векторных магнитных измерений. В отличие от наземной магниторазведки, когда возмущающие и искомые объекты находятся ниже поверхности наблюдения (т.е. в пространстве "2л"), в подземной магнитометрии возмущающий объект может находиться в любом направлении пространства "4л". Кроме того, линии наблюдения ограничены как по длине (что зачастую не позволяет получить результаты наблюдения с выходом из аномального в нормальное поле), так и по направлениям, т.к. сеть подземных горных выработок и даже скважин подземного бурения создается в соответствии с технологией добычи полезных ископаемых. Поэтому методика интерпретации подземных наблюдений имеет существенные отличия от известных наземных способов решения обратной задачи разведочной геофизики. Большой объем научно-технических, теоретических и опытно-конструкторских

линии наблюдения потребовало

Рис. 1. Результаты подземной магнитометриина шх. Октябрьская, Криворожское месторождение, гор.890

исследований выполненных автором позволил разработать практически новый метод горной геофизики - подземную векторную магнитометрию [2]. В течение длительного времени до настоящих дней метод прошел апробацию в виде опытно-методических исследований на различных железорудных месторождениях Урала, Сибири, Казахстана и Украины. Например, на шахте Октябрьская Криворожского железорудного бассейна было показано, что на основе непрерывных векторных магнитных измерений по квершлагу (в интервале 0-43 м) и в виде продолжения - по опережающей выработку скважине (43-70 м) можно дифференцировать магнетитовую залежь с выделением богатых немагнитных руд. Эти результаты в виде кривой 2а и проекций векторов т приведены на рис.1.

На всем протяжении профиля измерений кривая Za находится в

области отрицательных значений, что является признаком близости (не далее 100 м) мощного магнитного (магнетитового) рудного тела. Вместе с этим, на общем отрицательном фоне выделяется ряд более отрицательных с резкими градиентами поля аномалий Z и соответствующие им изменения картины векторов т , что совпадает с геологическими данными эксплуатационной разведки.

Приведенный пример иллюстрирует возможности, с одной стороны, разработанной аппаратуры по оперативному выполнению равноточных магнитных измерений в квершлаге и скважине подземного бурения, и с другой - разработанной методики интерпретации - по выделению богатых немагнитных руд среди неокислен-ной магнетитовой залежи.

Таким образом, решение поставленной перед автором в 1969 г. задачи по разработке и созданию векторного шахтного магнитометра позволило расширить возможности скважинной магнитометрии и, в конечном итоге, привело к созданию нового метода

162

геофизических исследований -подземной векторной магнитометрии, который широко опробован и внедрен в практику эксплуатационной геологической разведки на многих действующих горнодобывающих предприятиях. Основные результаты, полученные автором можно кратко характеризовать следующим образом [2]:

1. Для выполнения магнитных измерений в шахтных условиях создан специальный комплексный шахтно-скважинный магнитометр КШСМ-38. Прибор имеет вертикальную систему ориентации датчиков и предназначен для выполнения непрерывных измерений магнитного поля в скважинах подземного бурения и в подземных горных выработках. Измерения в скважинах и горных выработках осуществляются одним и тем же прибором.

Магнитометр КШСМ-38 был принят Межведомственной комиссией Министерства черной металлургии СССР, проводившей испытания и приемку аппаратуры. По решению комиссии был признан первым комплексным магнитометром, предназначенным специально для шахтно-рудничных условий, и рекомендован к широкому внедрению на горнодобывающих предприятиях министерства.

2. Для ориентирования геофизических датчиков в скважинах разработана реализованная в комплексном шахтно-скважинном магнитометре КШСМ-38 совокупность специальных устройств, размещенных в одном и том же скважинном приборе и сохраняющих заданную относительно плоскости наклона скважины ориентировку датчиков при поворотах скважинного прибора вокруг продольной оси на угол п х 360° и/или при изменении угла наклона линии наблюдения (исследуемая скважина или выработка) в широком диапазоне (+5 - +175° от вертикали). Кроме того, эти устройства позволяют выполнять непрерывные комплексные измерения вдоль линии наблюдения,

независимо от изменений зенитных углов в указанном диапазоне.

3. Разработано методическое обеспечение для выполнения магниторазведочных работ в подземных горных выработках, благодаря которому непрерывная вдоль выработки регистрация компонент вектора геомагнитного поля выполняется в заданной области ее поперечного сечения, что позволяет снизить влияние на результаты измерения магнитных полей (помех), обусловленных размещенным в выработке технологическим оборудованием. При этом измерения осуществляются с высокой производительностью, что особенно важно на действующих предприятиях. Кроме того, разработан и доведен до стадии практической реализации аппарат качественной и количественной интерпретации результатов измерений. Теоретически обоснованные приемы и способы позволяют оперативно решать в случае необходимости задачу разделения сложных наблюденных аномалий на более простые, которые затем, после сравнения с рассчитанными кривыми Zа и векторами т от тел различного

сечения служат основой для разработки в каждом частном случае конкретного месторождения критериев локализации известных рудных залежей или поиска и прогноза новых, ранее неизвестных рудных тел в околовы-работочном пространстве.

4. Составлено краткое методическое руководство по шахтно-скважинной магниторазведке, которое вместе с прибором передавалось производственным организациям при внедрении разработанной аппаратуры. Руководство содержит техническую характеристику и описание магнитометра, методы настройки, эталонирования и подготовки к измерениям, методику выполнения магнитных измерений в скважинах и подземных горных выработках, а также способы интерпретации получаемых данных.

ГИАБ

5. Полученные положительные результаты применения подземной магниторазведки на Абаканском железном руднике подтвердили эффективность разработанной аппаратуры и методики работ для решения задач детальной и эксплуатационной разведки. С помощью подземной векторной магнитометрии была обнаружена новая, неизвестная ранее крупная залежь.

Доказано, что подземная векторная магниторазведка решает на Абаканском руднике следующие задачи:

♦ поиск в околоскважинном и околовыработочном пространствах новых, ранее неизвестных рудных тел;

♦ уточнение контуров рудных тел;

♦ определение элементов залегания рудных залежей;

♦ расчленение разрезов по магнитной восприимчивости;

♦ определение мощности рудных подсечений.

6. Получены положительные

результаты опытно-

методических и полевых испы-

таний аппаратуры на нескольких рудниках Криворожского месторождения, на Шерегешевском руднике в Горной Шории, на Дегтярском, Гумешевском и Турьинском меднорудных месторождениях на Урале, а также на золоторудных месторождениях Забайкалья. Доказана эффективность применения разработанного метода для решения ряда задач детальной и эксплуатационной разведки на железорудных, меднорудных и золоторудных месторождениях.

7. В течение 1973-1991 гг. более десяти комплектов шахтных магнитометров внедрены: на Абаканском железном руднике, в Богословском и Высокогорском рудоуправлениях, Соколов-ско-Сарбайском горно-обогатительном комбинате МЧМ СССР, в Центральной геофизической экспедиции ЗСГУ, Южной геофизической экспедиции Енисей-геологии Мингео СССР, в партии руднично-шахтной геофизики Укрчерметгеологии УССР, тресте "Забайкалцветметразведка"

Минцветмета СССР и Сосьвин-ском государственном геологоразведочном предприятии "Сось-вагеология" концерна "Тюмень-геология" Комитета РФ по геологии и использованию недр. Использование производством метода подземной векторной магнитометрии для решения задач детальной и эксплуатационной разведки в различных гор-но-гелогических условиях (Забайкалье, Восточная Сибирь, Горная Шория, Казахстан, Урал и Кривой Рог) доказывает универсальность созданной аппаратуры и методики работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Халилеев П.С., Пономарев

В.Н., Булашевич Ю.П. Новый метод магнитной разведки. // ж. Разведка недр, 1947, №3, с. 42-44.

2. Мухаметшин А.М. Подземная векторная магнитометрия в рудничной геологии. Екатеринбург : ИГД УрО РАН,1997. -214с.

© А.М. Мухаметшин