Горная геофизика эффективная геоинформационная технология на действующих горнодобывающих предприятиях

© А.М. Мухаметшин, 2002

УДК 550.83:622.831

А.М. Мухаметшин

ГОРНАЯ ГЕОФИЗИКА - ЭФФЕКТИВНАЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

дной из основных целей и тенденций проходящей в настоящее время реструктуризации в горнодобывающей промышленности является создание конкурентоспособных высокоэффективных предприятий. Как известно, решение этой задачи возможно путем оптимизации технологических схем очистных и подготовительных работ на основе наиболее полной и достоверной информации о строении, состоянии, структуре и свойствах горного массива. Получение указанных данных, особенно с помощью методов горной геофизики, не требует значительных финансовых и трудовых затрат, но в то же время позволяет более обоснованно принимать рациональные технические решения по отработке выемочных полей, с учетом конкретных горно-геологических условий и тем самым позволяет значительно сократить материальные издержки и/или повысить безопасность труда горнорабочих в подземных условиях.

По оценкам гидростроителей, горная геофизика имеет особое значение при изучении горных массивов благодаря следующим качествам:

• способность давать качественную и количественную информацию о строении и свойствах как внешних, так и внутренних частей массива с требуемой для инженерных целей детальностью;

• разнообразие средств и методов исследований, позволяющих выполнять работы в любых природных условиях;

оперативность и относительно невысокая стоимость исследований, что дает возможность вести массовые измерения геофизических характеристик в массиве;

• тесная взаимосвязь измеряе-

мых геофизических характеристик с основными геомеханическими (физи-ко-механичес-кими) показателями свойств геологической среды, используемыми при проектировании;

• стабильность определения количественных характеристик свойств и состояния горных массивов, что позволяет использовать эти методы для режимных (мониторинговых) наблюдений за динамикой деформационных процессов в системе: охраняемый

объект-массив.

Информацию о свойствах, составе, структуре и состоянии горного массива, как известно, получают с использованием различных геологических, маркшейдерских и/или геофизических методов, причем именно последние становятся все более доминирующими. Вместе с тем, как показывает опыт, практического использования горной геофизики, ее высокие потенциальные возможности до настоящего времени реализуются далеко не в полном объеме. Это обусловлено рядом объективных и субъективных причин, из которых наиболее существенной и объективной следует признать то, что массив является чрезвычайно сложным объектом геоконтроля, отличающимся чрезвычайно широким спектром изменения свойств и неоднородностей различного масштабного уровня, каждая из которых оказывает свое "специфическое информативное (полезное или помехо-вое) влияние на используемые в горной геофизике физические поля и методики измерения.

Таким образом, горная геофизика есть область научного знания о весьма специфическом объекте исследования (горном массиве), располагающая не менее специфическими способами исследования. Вместе с тем, по мнению большинства специалистов "... горная

геофизика" - горная наука, использующая известные методы науки о Земле - геофизики" [1]. Но как раз здесь-то и следует отметить специфические особенности методов горной геофизики в отличие от общеизвестных геофизических, но наземных методов:

• измерения выполняются в подземных горных выработках, т.е. в весьма ограниченном пространстве их внутренней полости;

• измерения выполняются в условиях действующих предприятий без остановки основных технологических процессов, т.е. в условиях мощных возмущающих физических полей, являющихся в большинстве случаев помехами;

• измерения выполняются по жестко заданной сети горных выработок, которые ни по своей длине, ни по ориентировке в пространстве в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям геофизических наблюдений;

• известные методы интерпретации также не всегда применимы, т.к. в отличие от наземных наблюдений, где возмущающий объект всегда находится в пространстве "2л", в горной геофизике следует учитывать пространство "4л". Это означает, что возмущающий объект, т.е. искомый объект, может находится в любом направлении от точки наблюдения;

• наблюдения (измерения) физических параметров выполняются в непосредственной близости (или внутри) возмущающих объектов, т.е. там, где в наибольшей степени сказываются нелинейные эффекты и поэтому известные теоретические решения практически не применимы.

Наиболее интенсивное развитие горной геофизики как самостоятельной научной дисциплины приходится на 70-80-е гг. XX века|. Развитие выразилось в разработке специализированной шахтной аппаратуры, в разработке новых методических и программных средств и, что особенно важно, в получении практических результатов по решению широкого круга горно-геологических и горнотехнических задач на действующих горнодобывающих предприятиях бывшего СССР.

Из задач горнопромышленной геологии, призванной выполнять геологическое обеспечение разведки и разработки месторождений, горная

геофизика позволяет решать задачи детального изучения факторов локализации руд, разработки локальных критериев прогноза и поиска новых рудных тел и др. Поэтому развитие методов горной геофизики в последние годы становится еще более актуальным в связи с резким сокращением. финансирования геологоразведочных работ и, вместе с тем, растущей необходимостью обеспечения роста добычи полезных ископаемых преимущественно в экономически освоенных промышленных районах, где в большинстве случаев запасы руд уже полностью выработаны. В этих условиях самым существенным и реальным источником прироста запасов является обнаружение новых, неизвестных ранее рудных залежей в околовы-работочном пространстве. Здесь примером наиболее эффективного метода горной геофизики является подземная векторная магнитометрия [2].

Метод подземной векторной магниторазведки появился в 1973 г. после создания автором и приёмки Ведомственной комиссией Минчермета СССР комплексного шахтноскважинного магнитометра - КШСМ-38 - аппаратуры, предназначенной для выполнения комплексных магнитных измерений в скважинах подземного бурения и в подземных горных выработках. Вначале этот метод получил известность как шахтноскважинная магниторазведка. Он стал составной частью скважинной магниторазведки и вошёл в справочники геофизика "Магниторазведка" (1980 и 1990 гг. издания), а также в соответствующие методические указания [1, 2]. Однако в настоящее время, в соответствие с необходимостью единой классификации и строгой систематизации всех методов и видов работ, используемых для изучения геологических объектов, применительно к геофизическим исследованиям, метод получает дальнейшее существенное развитие под более точным термином -"подземная векторная магниторазведка".

Предпосылкой успешного развития и применения подземной векторной магниторазведки явилась возможность оперативного прироста запасов разведываемых или уточнения отрабатываемых месторождений за счет выявления новых рудных тел в околоскважинных или околовырабо-

точных пространствах. В результате проведения опытно-методических исследований на различных месторождениях железа, меди, бокситов и золота были определены основные направления использования подземной векторной магниторазведки при решении широкого круга геологических задач, наиболее важными из которых являются:

• поиск и обнаружение новых, неизвестных ранее рудных залежей;

• оконтуривание, уточнение строения и морфологии разведываемых известных рудных тел;

• выделение интервалов, вскрытых скважинами рудных тел или маг-нито-контрастных пород;

• оценка качества магнетитовых

руд.

Накопленные данные и опыт промышленного использования метода позволяют характеризовать особые специфические условия применения подземной магниторазведки следующим образом.

Разведочные работы ведутся, как правило, вблизи хорошо изученных рудных тел, обладающих значительными размерами и, следовательно, вызывающих сильные магнитные поля, которые, накладываясь на результаты измерений, затрудняют интерпретацию получаемых материалов. Кроме того, линии наблюдения в шахтах (скважины подземного бурения, горные выработки) не позволяют получить аномалии от рудных тел в полной форме с выходом в нормальное поле, т.к. они пройдены в соответствии с применяемой системой отработки месторождений и имеют, сравнительно с размерами рудных тел, небольшую длину.

При работе в подземных условиях измерительный прибор находится в окружении возмущающих магнитных масс, причем объект исследования может располагаться в любом октанте (квадранте) относительно пункта (линии) наблюдения. Эти обстоятельства, в совокупности с необходимостью и вынужденностью проводить измерения по жестко заданной сети горных выработок, обуславливают большую сложность подземных магниторазведочных работ по сравнению с наземными. Особенно при обработке, и интерпретации результатов съёмок.

Магнитометрические исследования под землей осложняются еще и

непрерывной выемкой горной массы, высоким уровнем полей - помех, вызванных технологическим процессом добычи: буровыми и проходческими работами, движением рудничного транспорта, работой вентиляционных установок, наличием интенсивных постоянных магнитных и переменных электромагнитных полей, "агрессивным" характером рудничной атмосферы (повышенное содержание газов СО, СО2, О и других, обильная влажность - более 90 %, высокое содержание пыли и т.д.). Отсюда можно выделить следующие благоприятные условия применения подземной магниторазведки:

• наличие достаточно высокой намагниченности, мощности и объема новых, неизвестных ранее рудных тел, создающих значительные аномалии модуля вектора земного магнитного поля;

• небольшое удаление нового рудного тела от линии наблюдения (выработки или скважины), особенно при его малой мощности;

• отсутствие значительных изменений намагниченности рудного тела или наличие необходимых данных об этих изменениях;

• возможность проведения измерений на различных горизонтах и выработках, расположенных по разные стороны от рудного тела.

При разработке технических требований к измерительной аппаратуре необходимо было учитывать все вышеперечисленные особенности проведения магниторазведочных работ в шахтах, т.к. благоприятные условия в таком сочетании практически отсутствуют.

Кроме того, следует отметить специфику проведения исследований в скважинах подземного бурения, обусловленную целым рядом существенных отличий от подобных измерений в скважинах наземного бурения.

В отличие от наземных скважин, скважины подземного бурения могут быть ориентированы в пространстве самым произвольным образом. Наряду с нисходящими широкое распространение имеют восстающие, а также полого наклонные и полого восстающие. Широкий спектр пространственной ориентации скважин в шахтных условиях имеет свои преимущества и недостатки.

К сожалению, наличие восходящих, субгоризонтальных, а также по-

лого наклонных скважин не позволяет использовать силу тяжести для перемещения скважинных приборов при выполнении измерений. Для этой цели применяются специальные доста-вочные и досылочные устройства и приспособления.

Скважины подземного бурения по своему назначению можно разделить на три группы: разведочные, технические и геологические.

Напомним, что разведочные скважины предназначены для дораз-ведки месторождений в процессе эксплуатации: уточнения элементов залегания, выявления особенностей его строения, положения рудных тел в пространстве и т.п. Такие скважины бурятся, как правило, с отбором керна и при соблюдении всех требований, предъявляемых к наземным разведочным скважинам. При этом они обязательно исследуются комплексом геофизических методов.

Скважины, бурение которых необходимо для осуществления подземных работ, но не входит в технологический цикл добычи полезных ископаемых, относятся к техническим. Например, электрокабельные, вентиляционные, лесоспусковые, водоспускные скважины и т.д.

Скважины, непосредственно связанные с процессом добычи полезного ископаемого и обусловленные технологией горных работ, относятся к технологическим. В их число входят дегазационные, водопонижающие, оросительные, буровзрывные, для торпедирования кровли, пилотные и т.п.

Диаметр скважин подземного бурения меняется от 32 до 300 мм, глубина - от нескольких метров до нескольких сот метров. Изменения конструкции скважин по диаметру накладывает дополнительные требования к скважинному прибору, который должен давать возможность выполнения сравнимых и равноточных измерений

в скважинах всего диапазона изменения их диаметра.

Отмеченные особенности применения подземной векторной магниторазведки обусловили проведение исследований и разработок в следующих направлениях:

• создание аппаратуры для измерений всех трех компонент вектора геомагнитного поля в подземных горных выработках и скважинах подземного бурения, а также магнитной восприимчивости горных пород, вскрытых скважинами;

• разработка методических приемов и способов оперативного выполнения подземных магнитометрических работ в условиях действующих горнодобывающих предприятий без остановки основного технологического процесса добычи полезного ископаемого;

• разработка методики интерпретации кривых Za и векторов Та с целью решения задачи поиска и обнаружения рудных тел в околовырабо-точном или околоскважинном пространстве;

• разработка количественных приемов интерпретации результатов измерений для определения и уточнения морфологии рудных тел, для определения расстояния до ближайшей кромки рудного тела и разделения сложных аномалий с помощью ПЭВМ;

• испытание разработанной аппаратуры, методики работ и методики интерпретации материалов с последующим внедрением метода подземной векторной магнитометрии в практику эксплуатационной разведки на рудных месторождениях;

• расширение области применения разработанного метода с целью решения горнотехнических задач, а также с целью контроля циркуляции жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах типа БН-600.

Из горнотехнических задач наи-

более важными считаются, с одной стороны, обеспечение безопасности труда горнорабочих, занятых на подземных или открытых горных работах, и, с другой, - обеспечение сохранности и экологической безопасности антропогенной среды от негативного влияния горнотехнологических процессов. Например, сотрудниками ИГД, УрО РАН собран уникальный информационные материал по регистрации сейсмического влияния промышленных взрывов на близлежащие промышленные и жилые здания или иные сооружения практически по всем Уральским горнодобывающим предприятиям. На базе этих данных разработана методика оценки и ограничения сейсмического эффекта, для чего вносятся коррективы в соответствующие технологии взрывных работ. Например, при проходке тоннелей Свердловского метрополитена нами с самого начала его строительства контролировались паспорта буровзрывных работ, благодаря чему обеспечивались безопасность и сохранность не только жилых зданий, но и других сооружений: газопроводов, водоводов. Особо следует отметить исследования, выполненные на здании Свердловского государственного цирка. Здесь, благодаря уникальности сооружения были получены основания для развития еще одного направления в применении горной геофизики - новой информационной технологии неразрушающего контроля железобетонных зданий и сооружений на основе сейсмометрических исследований. Данная технология продолжает совершенствоваться и проверяться на других социальнозначимых объектах: путепровод (г. Пермь), железнодорожный мост (ст. "Дружинино"), строящееся здание УрЦУП (г. Екатеринбург) и др.

--------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яковлев Д.В. Предмет горной геофизики. Тр. Междунар. конф. 2. Мухаметшин АМ. П°дземная векторна ітагнишметр™ в

"Горная геофизика" / ВНИМИ: г. Санкт-Петербург, 1998 г. с 6-7. рудаичнот геологии, ИГД УрО РАН: г. Екатеринбург, І997 г.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Мухаметшин Анатолий Матвеевич - доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией горной геофизики Института горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН),