Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
А.А. Кашкаров, А.А. Панжин, В.В. Мельник
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург
Работа выполнена при поддержке РФФИ
Аннотация: Выполнен анализ возможностей геоэлектрических методов геофизических исследований для характеристик геомеханического состояния горных пород и массивов. При этом использованы теоретические и экспериментальные результаты, полу-ченные многолетними работами на стыке геофизики и геомеханики в местах добычи полезных ископаемых на месторождениях и на инженерно-геологических изысканиях при проектировании инженерных сооружений, в частности метрополитенов.
Annotation: The analysis of opportunities of geoelectrical methods of geophysical researches for the characteristics of a geomechanical condition of rock mass and massives is executed. Thus the theoretical and experimental results received by long-term works on a joint of geo-physics and the geomechanics in places of production of minerals on deposits and on engineer-geological researches with designing of engineering structures, in particular of undergrounds are used.
В практике решения проблем охраны природных и техногенных объектов от вредного влияния подземных выработок, контроля за несущей способностью налегающих и подстилающих грунтов и их изменением в процессе горного и инженерного производства целесообразно использование дистанционных и контактных геофизических методов исследования горных пород и массивов. Особую роль играют эти методы при оконтуривании подработок в горнорудных районах и оценке возможности вовлечения конкретных горных массивов в хозяйственную деятельность человека.
Рассматривая весь известный набор основных геофизических параметров, отражающих геомеханические явления массивов горных пород нами отдается предпочтение электрическим параметрам. Электрический ток в своем движении через горный массив выбирает наиболее удобный и короткий путь, используя природные или техногенные электропроводные элементы, в качестве которых чаще всего выступает природная или техногенная пустотность и трещиноватость горного массива.
Естественными носителями проводимости в трещинах и пустотах являются заполняющие их минерализованные воды, электрическое сопротивление которых в 100-10000 раз меньше электросопротивления вещества горных пород. Развитие пустотности и трещиноватости определяет геомеханическое состояние конкретных горных массивов. Следовательно электрические параметры, отражают состояние горных массивов по пустотности и трещиноватости, а также автоматически отражают и характер развития геомеханических явлений.
Для описания характера совместного проявления геоэлектрических и геомеханических явлений, допустим наличие серии горных массивов с равномерно увеличивающимся объемом пустот и трещин одинакового размера, начиная от монолитного массива с полным их отсутствием, до максимального состояния их развития, приводящее массив в дезинтегрированное состояние.
Отметим высокий градиент изменения геомеханических и геоэлектрических параметров в момент соединения трещин с образованием замкнутой их системы. Со стороны геомеханических явлений момент соединения трещин приводит к потере устойчивости массива, а со стороны геоэлектрических явлений в этот момент происходит скачкообразное изменение величин электропроводности этого массива, поскольку трещины становятся гальванически связанными друг с другом.
Таким образом равномерное развитие пустотности и трещиноватости горных пород и массивов, не приводящее к образованию их замкнутой системы сохраняет массив в устойчивом состоянии, но при приближении процесса развития трещиноватости к моменту образования связанной системы трещин, горный массив приходит в потенциально опасное состояние, при котором любые нагрузки, энергия которых превышает энергию необходимую для его дезинтеграции, могут привести к его разрушению.
Это явление, свойственное геоэлектрическим и геомеханическим параметрам, характеризует дискретность горных пород, а свойство параметров, способных отразить его в своих полях, характеризует их структурную чувствительность. Для сравнения, в качестве примера приведем плотность горных пород, равномерно уменьшающуюся с ростом пустотности и трещиноватости вне зависимости от способа распределения их в горной породе. Это явление характеризует объемную чувствительность параметра, следовательно, соответствующее параметру плотности гравиметрическое поле не в состоянии зафиксировать момент расклинивания горного массива.
Как это не парадоксально, но и сейсмоакустические параметры в большинстве
своем обладают только объемной чувствительностью, хотя на практике при оценке
устойчивости горных массивов они применяются чаще, а стоимость их несоизмеримо
выше электрометрии. Общий характер зависимости геоэлектрических,
геомеханических и плотностных параметров от пустотности и трещиноватости
различного характера проиллюстрирован на рис. 1.
Ось абсцисс представлена шкалой, отражающей относительный объем пустотности и
трещиноватости в горных породах массивах. Пусть заполнитель пустот представлен
рыхлым или связным увлажненным материалом с электропроводностью 100 Ом.м,
прочностью 250 кгс/см2 и плотностью 1.4 г/см2.
Интервал изменения пустотности и трещиноватости от 0 до 100% условно можно
разделить на три области:
Область 1 представляет собой элементы пустотности и трещиноватости полностью изолированные друг относительно друга материалом горной породы.
Область 2 представлена горной породой, в которой присутствуют изолированные и гальванически связанные между собой элементы пустотности и трещиноватости. Количество связанных пустот и трещин меняется от 0, когда связь отсутствует, до 1, когда все пустоты связаны между собой.
Область 3 представляет собой горную породу в которой присутствуют только гальванически связанные пустоты и трещины, за счет которых наблюдается дальнейший рост трещиноватости, до полной замены материала горной породы материалом заполнителя трещин и пустот. В предложенном примере это песчано-глинистый увлажненный грунт.
Ось абсцисс представлена физико-механическими (а), электрическими (б) и плотностными (в) параметрами. В качестве физико-механических в данном примере использованы прочность горных пород на сжатие (σсж), в качестве электрических - удельное электрическое сопротивление (ρ), в качестве плотностных - плотность (γ).
При анализе приведенных зависимостей установлено наличие линейного характера связи между прочностными и электрическими параметрами с одной стороны и параметрами пустотности и трещиноватости с другой стороны в областях 1 и 3, в которых рост пустотности идет за счет только несвязных или только связных трещин. В области 2 одновременно присутствует связанная и несвязанная друг с другом пустотность и трещиноватость, характер зависимости прочностных и электрических параметров от пустотности и трещиноватости не линеен и испытывает резкие изменения, величина которых определяется соотношением прочностных и электрических свойств материала горных пород с материалом наполнителя. На рисунке 1 прочность материала принята 3000 кгс/см2, заполнителя 250 кгс/см2. Отличие более чем на порядок. Удельное сопротивление горной породы 3000 Ом.м, материала наполнителя 100 Ом.м, отличие в 30 раз.
На этом же рисунке показана зависимость плотности от пустотности и трещиноватости (рис 1в). График изменения плотности от трещиноватости во всех областях 1, 2, 3 сохраняет линейность, соответствуя равномерному замещению вещества горной породы веществом заполнителя пор и трещин вне зависимости от формы связи между ними.
Опасными с точки зрения геомеханических явлений считаются частично дезинтегрированные горные породы и массивы, склонные к внезапным смещениям по плотности относимые к области 2 (рис 1а, б, в) и расположенные в интервале высоких гра-диентов изменения физико-механических и геоэлектрических параметров. Они описывают состояние горных массивов, в которых в активной форме наблюдается проявление процессов сдвижения и самообрушения. К безопасным устойчивым горным массивам можно отнести область 1, в которой полностью отсутствуют дезинтеграционные явления. Область 3 характеризует горные массивы в которых активные формы процессов сдвижения и самообрушения закончены и массив полностью перешел в дезинтегрированное достаточно устойчивое состояние. При этом не исключено естественное самоуплотнение массива и связанное с этим явлением сдвижение горных пород. При застройке этих массивов следует выполнять углубленные инженерно-геологические изыскания и учитывать возможные последствия сдвижения полностью дезинтегрированного горного массива под действием дополнительных инженерных нагрузок.
Устойчивые горные массивы из области 1 в результате инженерно-геологических изысканий должны оцениваться с точки зрения опасности развития дезинтеграционных процессов под действием дополнительных техногенных нагрузок возникающих при застройке или при других видах хозяйственной деятельности, которые могут перевести горный массив из состояния 1 в состояние 2, т.е. из устойчивого в неустойчивое. В местах распространения неустойчивых горных массивов в старых и современных горнодобывающих районах (область 2) для оценки возможности и способа их вовлечения в хозяйственную деятельность необходимо иметь заключения специализированных, в области сдвижения горных пород, организаций. Инженерно-геологические изыскания целесообразно ориентировать на изучение особенностей состояния этих пород, в плане развития связанной пустотности и трещиноватости налегающих и подстилающих горных пород.
Для наглядности на рисунке 1 зависимости между горно-механическими, геоэлектрическими, плотностными параметрами и параметрами пустотности выполнены точками, представляющими собой срезы горных пород с уровнем развития связанной и несвязанной пористости и трещиноватости.
Описанные возможности электрометрии в течение многих лет реализовались авторами в хозяйственных договоров при решении конкретных инженерно-геологических и горнотехнических задач, связанных с изучением природного массива в естественном состоянии и подработанного природного массива.
Одним из примеров использования выявленных возможностей геоэлектрического
контроля геомеханических параметров являются результаты инженерно-геологических
изысканий при проектировании второй очереди Екатеринбургского метро.
На одном из участков линии метро геоэлектрические параметры, изученные по
каротажу изыскательских скважин, выполняемые в комплексе с измерением других
физических параметров (сейсмоакустические, кавернометрия, резистивиметрия,
показатель качества керна - RQD, радиометрия и т.д.) трансформированы в
отчетные геомеханические параметры с построением соответствующих трехмерных
моделей (Pис. 2).
На примере подработанных территорий в районе интенсивной разработке золоторудного месторождения в Свердловской области обозначены основные методы геоэлектрических исследований по оценке возможности вовлечения этих территорий в хозяйственную деятельность. Практически повсеместно в районе даек гранитоидов выявлены потенциально опасные участки, где наблюдаются высокие градиенты электрических параметров, представленных зависшими пустотами, заполненными минерализованной водой с рыхлым и связным материалом, перекрытыми крепкими породами, слагающими дайки гранитоидов. В последних, процессы самообрушения существенно замедленны.
В комплексе геоэлектрических методов исследования параметров подработанных
территорий использованы методы вертикального электрического зондирования (ВЭЗ)
и срединного градиента (СГ) на постоянном и низкочастотном переменном токах
по методу переходных процессов (ЗМПП). Последний метод отличается большими
возможностями дифференциации геоэлектрического разреза на глубину по сравнению
со стандартными ВЭЗ. На исследуемые участки имеется надежная
геолого-маркшейдерская документация, которая описывает исходное состояние
подработанного массива на момент окончания горных работ, связанных с
разработкой месторождения. Геоэлектрическая модель укрупненно характеризует
состояние подработанного горного массива на момент выполнения изыскательских
геофизических работ. Целесообразно говорить о возможности геоэлектрического
мониторинга развития процессов сдвижения подработанных территорий.
Обобщенные элементы геоэлектрических моделей карстующихся и подработанных
территорий приведены на рисунке 3.
Геоэлектрический разрез карстующихся и подработанных территорий имеет ряд общих черт и представлен сочетанием горизонтов грунтов пониженного и повышенного удельного электрического сопротивления (ρк). Пониженные значения ρк связаны с развитием самого тела карста и подработок заполненных связным и рыхлым обезвоженным песчано-глинистым материалом и с областью развития естественно обводненных песчано-глинистых грунтов. Повышенные значения ρк связаны с подстилающими и сохранившимися от самообрушения перекрывающими скальными породами карбонатного при карсте и магматического или метаморфического при подработках вещественного состава. Несущая способность последних зависит от геомеханических параметров грунтов и характера развития вторичной трещиноватости. Степень близости перекрывающего массива горных пород от постепенного или внезапного самообрушения или сдвижения зависит от сочетания факторов, связанных с геометрией подработок и карстующихся полостей, глубиной их залегания и свойств налегающей толщи горных пород.
Сочетание и наличие налегающей толщи над природными и техногенными полостями толщи целесообразно контролировать геоэлектрическими методами. В числе нескольких наиболее вероятных техногенных и природных геосистем присутствуют, во-первых, горные массивы с отсутствием природного и техногенного пустотного пространства, во-вторых, горные массивы с законченными процессами самообрушения и активного сдвижения, в-третьих, горные массивы находятся на различных стадиях активного сдвижения и самообрушения.
Первые две модели геосистем являются предметом стандартных (при полном отсутствии пустот) и углубленных (при закончивших активную фазу развития пустот) инженерно-геологических изысканий, регламентируемых нормативными документами. Последняя модель геосистемы предполагает использование комплекса не только стандартных и углубленных инженерно-геологических исследований, но и мониторинга со стороны специализированных организаций геомеханического профиля.
В составе мониторингового обслуживания используются:
1. Прогноз развития геомеханических явлений сдвижения и самообрушения земной поверхности по исходной геолого-маркшейдерской информации.
2. Маркшейдерский метод изучения деформаций земной поверхности на основе организации систем наблюдательных скважин.
3. Использование комплексных геофизических методов изучения состава и свойств подработанного горного массива на момент производства наблюдений по возможности с использованием организованной сети маркшейдерских наблюдательных станций.
В большом числе случаев при отсутствии возможности организации систем маркшейдерских наблюдательных станций ограничиваются более дешевыми методами прогноза геомеханических явлений по исходной геолого-маркшейдерской информации, дополненной комплексом геофизических исследований, в состав которых в обязательном порядке должна входить электрометрия.
Практические наблюдения методами геоэлектроразведки на большинстве подработанных территорий Уральского района (города Березовский, Краснотурьинск, Каменск-Уральский и т.д.) показали, что несмотря на давность некоторых разработок (100 и более лет) большинство из них за счет наличия в перекрывающих грунтах крепких скальных массивов сохранились на стадии активного сдвижения. Быстро заканчивают активную фазу сдвижения подработки в породах ослабленных метаморфизмом, тектоническими процессами и выветриванием.
Подрисуночные надписи:
Рис. 1. Обобщенный характер зависимости геомеханических (а), геоэлектрических (б), плотностных (в) параметров горных пород и массивов от их пустотности и трещиноватости (m, %): I - область развития изолированных пустот и трещин; II - область одновременного существования изолированных и связанных пустот и трещин; III - область развития только связанных пустот и трещин; 0--1 - интервал частичной дезинтеграции горного массива; 0, 1 - относительный объем связанных пустот в долях единицы.
Рис. 2. Инженерно-геологическое обоснование при проектировании II очереди Екатеринбургского метро: а - объемная модель распределения удельного электросопротивления по трассе метро в изолиниях ρк (Ом.м); б - объемная модель распределения коэффициента крепости по Протодьяконову по трассе метро; o15 - номера изыскательских скважин.
Рис. 3. Геоэлектрические модели разрезов карстующихся (а) и подработанных территорий (б): а - карстующиеся территории: I - покровные песчано-глинистые отложения аллювия и делювия; II - уплотненные карбонатно-глинистые высокоомные породы, перекрывающие тело карста; III - глинистые и песчаные образования карста; IV - плотные карбонатные породы подстилающего горизонта карста; б - подработанные территории: I - отвалы старательских отработок; II - глинистые отложения делювия; III - смещенный и обрушенный элювий близповерхностных старательских работ; IV - необрушенный перекрывающий горизонт; V - пустоты с водой и глиной; VI - коренные породы подстилающего горизонта.
© 1998 Александр А. Кашкаров, Андрей А. Панжин, Виталий В. Мельник
