Опыт применения геофизических методов в комплексе геодинамической диагностики горного массива

Т.Ш. Далатказин, А.С. Ведерников, Д.В. Григорьев, А.Л. Замятин, П.И. Зуев
Институт горного дела Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Горная Промышленность №1S / 2022 стр. 105-110

Резюме: При решении задач обеспечения безопасности объектов недропользования и повышения качества добываемого полезного ископаемого возникает необходимость структурирования горного массива. Для этого применяются определенные комплексы геофизических методов, состав которых зависит от конкретных горно-геологических условий. Геофизические методы успешно применяются при выявлении зон развития трещинообразования, карстообразования, на оползнеопасных участках. В статье рассмотрены примеры применения различных геофизических методов для определения строения и состояния массивов горных пород, которые используются в Институте горного дела Уральского отделения РАН. Приведены краткие характеристики таких методов, как инженерная сейсморазведка, спектральное сейсмопрофилирование, георадарное зондирование, сейсмическое микрорайонирование, электротомографические исследования, радонометрия. Сделаны выводы о том, что использование традиционных и современных геофизических методов в комплексе геодинамической диагностики, разработанной на основе новейших фундаментальных знаний о процессах, происходящих в геологической среде, позволяет достоверно определять структурно-геодинамическую модель горного массива для обеспечения безопасности объектов недропользования.

Ключевые слова: геомеханика, геодинамика, геофизика, геофизические методы, сейсморазведка, электроразведка, георадарное зондирование, радоновые эманации

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания №075-00412-22 ПР. Тема 1. FUWE-2022-0005.

Для цитирования: Далатказин Т.Ш., Ведерников А.С., Григорьев Д.В., Замятин А.Л., Зуев П.И. Опыт применения геофизических методов в комплексе геодинамической диагностики горного массива. Горная промышленность. 2022;(1S): 105–110.  DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-1S-105-110

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.09.2021

Поступила после рецензирования: 22.10.2021

Принята к публикации: 26.10.2021

Информация об авторах

Далатказин Тимур Шавкатович – кандидат технических наук, заведующий лабораторией технологий снижения риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Ведерников Андрей Сергеевич – научный сотрудник лаборатории технологий снижения риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Григорьев Данила Вячеславович – младший научный сотрудник лаборатории технологий снижения риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: danilging@ gmail.com

Замятин Алексей Леонидович – научный сотрудник лаборатории технологий снижения риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Зуев Павел Игоревич – научный сотрудник лаборатории технологий снижения риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Институт горного дела УрО РАН обладает геофизической аппаратурой для производства исследований широким спектром методов и имеет значительный опыт в их проведении в комплексе геодинамической диагностики горного массива [1].

На объектах недропользования при решении задач обеспечения их безопасности, повышения качества добываемого полезного ископаемого и т.п. зачастую возникает необходимость структурирования горного массива. Для этого применяется ряд геофизических методов. Состав комплекса геофизических методов зависит от конкретных горно-геологических условий.

Вследствие механического воздействия в процессе формирования трещиноватости, дальнейшего влияния агентов выветривания, проникающих в массив по трещинам, происходит снижение прочностных характеристик горных пород зон структурного ослабления. В результате возникает возможность картирования таких зон вследствие контраста различных физических свойств массива.

Геофизические методы успешно применяются при выявлении зон развития трещинообразования, карстообразования, на оползнеопасных участках. Определяется пространственное положение зон структурного ослабления, выполняется их ранжирование. Целью геофизических исследований являются выявление, определение пространственного положения и ранжирование зон структурного ослабления и повышенной трещиноватости в количественных значениях измеряемых физических полей [2]. Ниже представлена информация о геофизических методах, используемых в Институте горного дела УрО РАН для структурирования горного массива.

Сейсморазведочные исследования

Результаты сейсмических работ – это сведения об упругих (акустических) свойствах изучаемого геологического разреза. Акустические свойства, в свою очередь, связаны с составом и условиями осадконакопления отложений и образования пород, что используется при геологической интерпретации сейсмических результатов для прогнозирования геологического строения изучаемой территории и месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, угля, руды и т.п.), определения прочностных свойств пород и насыщения водой при инженерно-гидрогеологических изысканиях.

В инженерной сейсморазведке чаще всего используют метод преломленных волн (МПВ) и метод отраженных волн (МОВ). Метод преломленных волн чаще используют при исследованиях массива, представляющего собой субгоризонтально слоистую среду. Метод отраженных волн более трудоемок и более требователен к аппаратуре, но в результате дает более информативную картину строения массива и неоднородностей в нем [3].

Рис. 1 Пример разреза распределения продольных скоростей на исследуемом участке
Fig. 1 An example of a longitudinal velocity distribution profile in the surveyed area

На рис. 1 показаны скоростные разрезы по двум параллельным профилям на борту карьера. На отметках 85– 05 м разреза по профилю 01 отмечается некоторое снижение значений скоростей продольных волн и аналогичное снижение отмечается на профиле 02 с отметки 110 м и до конца профиля. Было высказано предположение о находящемся в этой локации ранее незакартированном тектоническом разломе. В дальнейшем данное предположение подтвердилось по результатам заверочного бурения.

Сейсмическое микрорайонирование территорий Микрорайонирование территорий представляет собой оценку реакции верхней части массива на внешнее воздействие, в первую очередь сейсмическое, то есть является в том числе и геомеханической задачей. Решение данной задачи практически полностью опирается на применение геофизических методов.

Существует несколько методов уточнения сейсмичности заданной площади. Один из них – это метод сейсмических жесткостей, в котором сравниваются сейсмические жесткости в исследуемой и эталонной точке территории. Для возможности вычисления сейсмической жесткости массива необходимо знание о скоростях распространения упругих (сейсмических) волн. Скорости упругих волн в массиве определяются при помощи сейсморазведочных исследований (например, методами преломленных или отраженных волн)1 [4].

Рис. 2 Карта уточненной сейсмичности территории предприятия: зеленые линии – профили сейсморазведки, красные точки – пункты записи микросейсмического фона
Fig. 2 A detailed seismicity map of the company's premises: green lines are seismic profiles, red dots are microseismic background recording stations

На рис. 2 показана итоговая карта уточненной сейсмичности территории предприятия металлургической промышленности с исходной сейсмичностью 5 баллов. Эти результаты совместно с результатами геодезических измерений обеспечили необходимой информацией проектные работы на данном участке.

Спектральная сейсморазведка

Спектральная сейсморазведка коренным образом отличается от традиционной, лучевой сейсморазведки. В ССП среда представляется как совокупность колебательных систем, а не как слоистая система. Поэтому акустический импульс, возникающий в результате ударного воздействия, уже в самой зоне удара исчезает, превращаясь в гармонический (синусоидальный) затухающий сигнал.

Измерение осуществляется одним сейсмоприемником на каждой точке профиля. Каждый записываемый сейсмосигнал подвергается в дальнейшем преобразованию Фурье, с помощью которого любой изменяющийся во времени процесс может быть изображен на оси частот (т.е. в спектральном виде).

Основными объектами, выявляемыми методом ССП, являются поверхности скольжения, а также открытые и сомкнутые трещины и их совокупности, т.е. зоны трещиноватости.

Получаемые в результате обработки данные представляют собой изображение спектров сейсмосигналов и, одновременно, изображение конкретных геологических объектов в геомеханическом аспекте либо изображение разного рода подвижек.

Особенностью метода спектрального сейсмопрофилирования является высокая мобильность при производстве измерений, что позволяет провести оперативное, детальное зондирование массива.

Например, при помощи метода ССП возможно оперативно оценить состояние бортов карьера. Для этого профили проходятся по каждому уступу один над другим и затем спектральные сейсморазрезы интерпретируются совместно, давая возможность оценить структуру массива в псевдотрехмерном виде (рис. 3). На рисунке видно, что выявленные неоднородности выстраиваются в продольную структуру, проходящую поперек направления борта. Исходя из опыта применения ССП рекомендуется использовать его не как отдельный самостоятельный метод, а в комплексе с другими методами, в силу его не очень высокой разрешающей способности [5].

Рис. 3 Пример использования метода ССП для определения структуры бортов карьера
Fig. 3 An example of using the spectral seismic profiling method to determine the structure of the open pit walls

Георадарное зондирование

Метод георадиолокации относится к группе электромагнитных методов, то есть изучает отклик среды на излучаемое электромагнитное поле. Метод георадарного зондирования относится к группе электроразведочных методов на токах высокой частоты, основан на явлении отражения электромагнитных волн от границ раздела поверхностей, обладающих различным значением комплексной диэлектрической проницаемости (ε).

Георадарное зондирование позволяет исследовать горный массив на глубину до 20 м с ранжированием породного блока по электромагнитным свойствам. Детальность исследований очень высокая за счет непрерывных измерений при прохождении профилей.

Основная цель метода состоит в определении положения границ раздела в изучаемых объектах. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между материалом и воздухом, контакты между материалами различных свойств и состава.

Рис. 4 Пример применения георадарного зондирования для определения структуры закрепного пространства ствола шахты (отметки на осях в метрах) Fig. 4 An example of using the georadar sounding to determine the structure of the supported space of a mine shaft (marks on the axes are in meters)

Компактность аппаратуры для производства георадарных исследований позволяет использовать ее даже в шахтных стволах. На рис. 4 показан пример георадарного разреза в горизонтальной плоскости по профилю, выполненному по стенке шахтного ствола. Глубина прослеживаемого массива составила 5 м. На таких разрезах отмечаются неоднородности закрепного пространства [6; 7].

Электротомографические исследования

Электроразведка методом сопротивлений остается одним из основных методов при малоглубинных геофизических исследованиях. Основной методикой являются вертикальные электрические зондирования, применяемые при изучении горизонтально-слоистых разрезов. Развитие этого метода привело к появлению новой методики, которая нацелена на изучение сложнопостроенных сред и которая позволяет проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей.

Измерения выполняются в полуавтоматическом режиме согласно заранее загруженным в коммутирующую аппаратуру протоколам, в которых описывается порядок подключения питающих и измерительных электродов на электрометрической косе. По результатам обработки измерений электротомографии появляется возможность построить разрез удельного электрического сопротивления и разрез поляризуемости пород, что в комплексе даст устойчивые результаты по структурному расчленению разреза и геологической интерпретации полученных результатов [8].

Применение двумерной электроразведки целесообразно при всех детальных (масштаб 1:2000 и крупнее) геофизических исследованиях – при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях, изучении геологического разреза на малых и средних глубинах при поисках и разведке полезных ископаемых, а также в менее традиционных областях применения малоглубинной геофизики – изучении археологических памятников, решении геоэкологических и других задач [9].

Для изучения геоэлектрических разрезов, значительно отличающихся от горизонтально-слоистых, применение электротомографии является необходимым условием для надежной интерпретации. Такое сложное строение обычно характерно для рудных зон и зон тектонических нарушений, оползней, насыпных и искусственных грунтов в зонах городской застройки, многолетнемерзлых пород, при крутом падании слоев и при наличии карста.

Рис. 5 Пример геоэлектрического разреза с расчленением пород по УЭС
Fig. 5 An example of a geoelectric profile with rock stratification by specific electrical resistivity

На рис. 5 показан пример геоэлектрического разреза, полученного по результатам обработки и интерпретации проведенных измерений по методике электротомографии в массиве серпентинитов. Удалось расчленить массив по разновидностям серпентенитов, имеющих отличающиеся удельные электрические сопротивления вследствие различной их нарушенности. Так, породы наибольшей III-IV категории трещиноватости имеют самое низкое УЭС – порядка 10 Ом·м (синим цветом в центре разреза). Интерпретация осуществлялась по имеющимся априорным данным о породах, слагающих массив.

Радонометрия

Методика радонометрических исследований в геодинамической диагностике основана на прямой зависимости значений объемной активности радона в почвенном воздухе исследуемого горного массива от интенсивности проявления современной подвижности горного массива [10].

Наиболее оптимально использовать радонометрию при детальных площадных исследованиях для решения задач геодинамического районирования горного массива. В этом случае расстояние между профильными линиями задаётся в интервале 10–50 м, расстояние между точками измерения 2–10 м. Детальные площадные исследования проводят в основном в масштабе 1: 2000 – 1: 500 и крупнее. Измерения объемной активности радона (Бк/м3) в почвенном воздухе выполняются радиометром альфа-активных газов по профильным линиям из шпуров глубиной 0,8–1,0 м.

Для устранения влияния нетектонических факторов (площадная дифференциация по диффузионным свойствам покровных отложений, по вещественному составу горных пород и т.п.) на достоверность результатов исследований при геодинамическом районировании с использованием радонометрии используется нормирование значений объемной активности радона в почвенном воздухе. Для этого полученные в результате полевых измерений значения объемной активности радона группируются по принадлежности к однотипным участкам:

– по диффузионным свойствам покровных отложений;

– по вещественному составу горных пород;

– по положению уровня грунтовых вод;

– по влагонасыщенности почвы по площади и т.д.

Для каждой точки измерения в группе рассчитываются нормированные значения объемной активности радона: N_i=Q_i ⁄ Q(ср.группы) ,

где N_i – нормированная объемная активность радона точки измерения i, безразмерная величина; Q_i – значение объемной активности радона в почвенном воздухе точки измерения на профильной линии, Бк/м³; Q(ср.группы) – среднеарифметическое значение объемной активности радона в почвенном воздухе группы точек измерений, Бк/м³.

Нормирование позволяет определять геодинамическую составляющую формирования поля радона. При этом Ni фактически является индексом геодинамической активности в точке измерения, что позволяет ранжировать изучаемый горный массив по степени современной геодинамической активности [11].

С применением метода интерполяции строится карта распределения нормированных значений объемной активности радона в почвенном воздухе изучаемой территории (рис. 6). Интерпретация результатов радонометрии для геодинамического районирования осуществляется по принципу прямой зависимости формирования поля радона от распределения интенсивности современной геодинамики.

Рис. 6 Пример геодинамического районирования по данным радонометрических измерений. Шубаркольское месторождение угля. Борт Западного разреза
Fig. 6 An example of geodynamic zoning according to radonometric measurements. Shubarkol coal deposit. Wall of the Western strip mine

Параметры поля радоновых эманаций формируются всем спектром частот геодинамических подвижек.

Заключение

Использование традиционных и современных геофизических методов в комплексе геодинамической диагностики, разработанной на основе новейших фундаментальных знаний о процессах, происходящих в геологической среде, позволяет достоверно определять структурно-геодинамическую модель горного массива для обеспечения безопасности объектов недропользования.

Список литературы

1. Зуев П.И., Григорьев Д.В., Ведерников А.С. Геофизическое обследование участков асбестового карьера. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(5-1):131–141. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_51_0_131

2. Anchuela Ó.P., Luzón A., Garbi H.G., Pérez A., Juan A.P., Soriano M.A. Combination of electromagnetic, geophysical methods and sedimentological studies for the development of 3D models in alluvial sediments affected by karst (Ebro Basin, NE Spain). Journal of Applied Geophysics. 2014;102:81–95. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2014.01.002

3. Li S.C., Zhou Z.Q., Ye Z.H., Li L.P., Zhang Q.Q., Xu Z.H. Comprehensive geophysical prediction and treatment measures of karst caves in deep buried tunnel. Journal of Applied Geophysics. 2015;116:247–257. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2015.03.019

4. Семенова Ю.В. Методы учета влияния местных грунтовых условий на сейсмическую опасность строительной площадки. Sciences of Europe. 2021;(63-3):10–14. https://doi.org/10.24412/3162-2364-2021-63-3-10-14

5. Замятин А.Л. Изучение состояния массива горных пород для обеспечения устойчивости борта карьера. В кн.: Валиев Н.Г. (ред.) Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений: сб. докл. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. в рамках Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 10–11 апр. 2018 г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ; 2018. С. 325–329.

6. Feng K., Zhao Y., Wu J., Ge S. Cross-correlation attribute analysis of GPR data for tunnel engineering. In: Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, Brussels, 30 June – 4 July 2014. IEEE; 2014, pp. 435–440. https://doi.org/10.1109/ICGPR.2014.6970461

7. Poomvises N.; Kongsuk A.; Pakdeerod P.; Suklim T. Application of Ground Penetrating Radar and Hilbert transformation helps revealing anomalous body of leakage in a concrete structure; A case history at Huai Mae Tor, Tak province, Thailand. In: 17th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR), Rapperswil, 18–21 June 2018. IEEE; 2018, pp. 427–430. https://doi.org/10.1109/ICGPR.2018.8441528

8. Loke M.H. Tutorial: 2-D and 3-D Electrical Imaging Surveys. 2004. Available at: https://www.researchgate.net/publication/264739285_Tutorial_2-D_and_3-D_Electrical_Imaging_Surveys

9. Bièvre G., Oxarango L., Günther T., Goutaland D., Massardi M. Improvement of 2D ERT measurements conducted along a small earthfilled dyke using 3D topographic data and 3D computation of geometric factors. Journal of Applied Geophysics. 2018;153:100–112. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2018.04.012

10. Ульянов В.Ю. Мониторинг радона как индикатора сейсмотектонических событий на площадке АЭС «Бушер-1» и прилегающей территории провинции Бушер Исламской Республики Иран. Глобальная ядерная безопасность. 2017;(4):7–17. Режим доступа: http://gns.mephi.ru/sites/default/files/journal/file/ru.2017.4.1.1.pdf

11. Далатказин Т.Ш., Зуев П.И. Исследования геодинамической ситуации прибортовых участков с использованием радонометрии при открытом способе разработки месторождений. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(3-1):46–55. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-31-0-46-55