Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

ДИСКРЕТНЫЕ МОДЕЛИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

А.А. Кашкаров, А.А. Панжин, В.В. Мельник

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Совместный анализ геоэлектрических и геомеханических моделей горных пород и массивов объективно обусловлен широким применением контактных и дистанционных электрометрических геофизических методов в горном деле и строительстве при изучении инженерных физико-механических параметров природных и техногенных грунтов. Надежность геоэлектрического контроля геомеханических явлений оценивается развитием процессов, вещественная природа которых является общей для формирования геоэлектрических и геомеханических полей.

Практически процесс оценки геомеханического явления по результатам изучения геоэлектрического поля можно представить совокупностью решений обратной геоэлектрической и прямой геомеханической задачи. В процессе решения обратной геоэлектрической задачи по измеренному электрическому полю, используя известные наработанные геоэлектрические модели, получают представления об особенностях структурно-вещественного характера горных пород и массивов. Последние используются для определения отчетных физико-механических параметров, необходимых для описания геомеханического явления путем решения прямой геомеханической задачи. При этом безусловно используются наработанные модели природных и техногенных грунтов.

Приемы и методы геоэлектрического моделирования при оценке геомеханических явлений сформированы многолетними исследованиями комплексных научных коллективов геолого-геофизического и геомеханического профиля и опираются на большой объем экспериментального материала, полученного на научных и промышленных объектах, в числе которых крупнейшие горные предприятия и сверхглубокие скважины.

В процессе геоэлектрического моделирования разработаны принципиально новые экспрессные способы лабораторного измерения электрических параметров образцов горных пород произвольной формы и размеров, способы исследования их трещинно-пустотного пространства [1, 2]. На основе электрокаротажа скважин поисково-разведочного и разведочно-эксплуатационного характера разработаны методики мелкомасштабного геоэлектрического картирования горных пород месторождений, материалы которых используются для расчета отчетных инженерно-геологических физико-механических параметров. Форма представления последних не ограничивается принятыми в нормативных документах статистическими таблицами обобщения результатов испытания образцов горных пород при нагрузках на прессах. Эти параметры оформляются в виде планов, разрезов и карт масштабов 1:200 - 1:25000 совместно с геолого-геофизическими материалами.

Главным структурно-вещественным элементом геоэлектрических и геомеханических явлений горных пород и массивов является их пустотность и трещиноватость. В геомеханическом поле пустотность и трещиноватость является элементом разупрочнения, а в геоэлектрическом поле - элементом проводимости. В этом и состоит основа взаимосвязи геомеханических и геоэлектрических явлений горных пород и массивов.

Анализ характера изменения геоэлектрических и геомеханических параметров в зависимости от изменений объема и структуры по пустотности и трещиноватости позволил выявить дискретность (прерывистость) уровней организации вещества горных пород и массивов, которая находит свое отражение прежде всего в геомеханическом и геоэлектрическом полях.

Пусть пустотность и трещиноватость одного уровня организации вещества равномерно увеличивается проходя стадии роста от изолированных пустот и трещин к их замкнутой системе с образованием так называемой гальванической связи между ними. В момент соединения пустот и трещин с образованием замкнутой системы горная порода или массив в геомеханическом отношении становится дезинтегрированным, а в геоэлектрическом отношении элементы проводимости - трещины и пустоты гальванически соединяются, что сопровождается резким изменением как физико-механических, так и электрических параметров.

Таким образом равномерное изменение пустотности и трещиноватости в момент образования замкнутых систем трещин и пустот приводит к резкому скачкообразному или дискретному изменению параметров геомеханического и геоэлектрического полей горных пород и массивов. Направление скачка (увеличение или уменьшение геоэлектрических и геомеханических параметров) зависит от состава вещества горных пород и массивов и состава заполнителя пустот и трещин.

Явление резкого изменения геоэлектрических и геомеханических параметров горных пород и массивов в момент соединения пустот и трещин получило название структурной чувствительности. Геоэлектрические и геомеханические параметры обладают структурной чувствительностью.

Для сравнения можно привести такие параметры как плотность, магнитная восприимчивость горных пород и массивов. Величина этих параметров не зависит от того, как соединены между собой отдельные отличающиеся по плотности и магнитности структурно-вещественные комплексы горных пород. Эти параметры и соответствующие им физические поля (гравитационные и магнитные) обладают только объемной чувствительностью. Геоэлектрические и геомеханические явления наряду с объемной обладают еще и структурной чувствительностью.

Существо геоэлектрических и геомеханических моделей горных пород и массивов состоит в представлении их в качестве совокупности пустот и трещин разного масштаба и уровня в вещественной матрице однородной или не однородной по своей природе. Задаваясь конкретными размерами и структурой порово-трещинного пространства, электрическими и геомеханическими свойствами однородного и не однородного вещества горных пород, свойствами заполнителя пустот и трещин можно смоделировать поведение конкретной модели горного массива, решая прямые геоэлектрические и геомеханические задачи.

Разработан алгоритм расчета конкретных геоэлектрических моделей, реализованный в форме расчета электрических цепей, в которых пустоты и трещины различного уровня организации вещества представлены в виде резисторов, соединенных последовательно или параллельно, имитируя, соответственно, объемную и структурную чувствительность геоэлектрических моделей горных пород.

Обратная геоэлектрическая задача оценки характера распределения различного уровня пустот и трещин в веществе горных пород и их объема (оценка структуры и объема порово-трещинного пространства), степени и состава их заполнения, и т.д. решается методом подбора, путем решения прямых задач и сравнения их результатов с исходными параметрами геоэлектрического поля.

Модели, при которых природные элементы горных пород (пустоты, трещины, фрагменты вещества, заполнитель пустот и трещин и т.д.) заменены элементами радиотехнических схем, принято называть абстрактными, в данном случае, геоэлектрическими моделями.

Естественно, примеров конкретных геоэлектрических моделей горных пород и массивов бесчисленное множество, столь же бесконечно можно менять при расчетах исходные свойства вещества, заполнителя пустот и трещин и способа их соединения между собой. Природа ограничивает число этих сочетаний естественными законами формирования, развития и движения под действием геологических термодинамических и физико-химических факторов.

Для этого использованы имеющиеся и разработаны новые способы изучения структуры порово-трещинного пространства горных пород и массивов. Наиболее простым методом изучения структуры порово-трещинного пространства является метод свободного водонасыщения предварительно обезвоженных образцов горных пород. В процессе свободного водонасыщения во времени производится измерение массы и электрических свойств в разных направлениях пропускания электрического тока для типичных комплексов горных пород. При этом можно варьировать составом насыщающей жидкости (вода различной минерализации, керосин и т.д.). Известно, что скорость насыщения пустот и трещин определяется их геометрическими параметрами и характером соединения. Оценивая массу и электрические свойства во времени и пространстве удается надежно оценить конкретную модель порово-трещинного состава горных пород и использовать ее для решения прямых геоэлектрических задач расчета конкретных геоэлектрических моделей горных пород и массивов.

Следующей основной задачей геоэлектрического моделирования горных пород и массивов является разделение горного массива на уровни организации вещества по размерам его условных фрагментов, разделенной соответствующими им размерами систем пустотности и трещиноватости. Решению этой задачи существенную помощь оказали материалы изучения сверхглубоких скважин в пределах которых организованы непрерывные массовые измерения лабораторных геоэлектрических параметров на малых базах. Так на Уральской сверхглубокой скважине изучен по удельному электрическому сопротивлению каждый отобранный образец керна в интервале от 0 до 5300 метров. Горный массив изучен на базе 15 см, через 15 см проходки скважины. Такая детальность изучения электрических, магнитных , плотностных параметров не имеет аналогов. Сверхглубокая скважина стала естественным полигоном для изучения, в частности, геоэлектрических явлений горных пород и массивов.

Для выявления наиболее вероятных размеров геоэлектрических неоднородностей, пластов, связанных с конкретными уровнями организации вещества, использован математический аппарат структурных и автокорреляционных функций. Полигоном явились материалы Уральской сверхглубокой скважины СГ-4. Наиболее вероятные размеры геоэлектрических неоднородностей группировались в районе 0.35; 0.70; 2.3; 7; 16; 38; 140 и т.д. метров. Названные модальные значения в небольших пределах менялись в зависимости от интервала, используемого для математической обработки.

На следующем этапе исходный геоэлектрический массив обрабатывается методами сглаживания с расчетом большого набора статистических параметров (модальные, средние, медианы, дисперсия, эксцесс и т.д.) в скользящих окнах, размеры которых соответствовали выявленным размерам неоднородностей.

Для сопоставления использован корреляционно-регрессионный анализ связи между измерениями и результатами сглаживания исходных геоэлектрических параметров в скользящих окнах, размеры которых соответствовали выявленным неоднородностям. Теснота связи оценивается по коэффициентам корреляции при сближении уровней организации вещества увеличивалась от 0.25 до 0.93. Так при корреляции сглаженных лабораторных и скважинных измерений удельного сопротивления с окном 5 метров коэффициент корреляции менялся в пределах 0.90 - 0.95 ,а при корреляции исходных лабораторных и скважинных измерений этого параметра (базы измерений 0.15 и 1.90 м.) коэффициент корреляции менялся в пределах 0.23 - 0.30. Соответственно оценивалась величина дисперсии каждого уровня организации вещества. Для скальных массивов эффузивно-осадочного комплекса вскрытого Уральской сверхглубокой скважиной величина дисперсии уменьшается с ростом размеров электрических неоднородностей. Для осадочных массивов в пределах Тюменской, Колвинской и Тимано-Печорской сверхглубоких скважин величина дисперсии либо увеличивается, либо не изменяется с ростом размеров неоднородностей.

Эти особенности подчеркивают принципиальные отличия геоэлектрических моделей платформенных и геосинклинальных провинций, сложенных, соответственно, породами осадочного и изверженного комплекса.

Обобщая опыт описания моделей геоэлектрических явлений горных пород и массивов целесообразно обозначить следующие основные выводы :

1. Геоэлектрический контроль геомеханических явлений обусловлен общностью формирования геоэлектрических и геомеханических полей за счет развития разноуровенных систем пустотности и трещиноватости горных пород и массивов.

2. Геоэлектрические и геомеханические поля дискретны по своей природе резко изменяя величину своих параметров в момент соединения и размыкания систем трещин и пустот в однородном или неоднородном веществе горных пород и массивов. Эти поля и соответствующие им параметры обладают как объемной, так и структурной чувствительностью в отличие от плотностных и магнитных параметров, обладающих только объемной чувствительностью к структурно-вещественным комплексам элементов горных пород.

3. Структурно-вещественные геоэлектрические и геомеханические модели горных пород и массивов представляются в качестве совокупности пустот и трещин разного масштаба и уровня в вещественной матрице однородной или неоднородной по своей природе, заполненных веществом любого агрегатного состояния.

4. Конкретные геоэлектрические модели рассчитываются на основе абстрактной модели горных пород и массивов, реализованной в форме электрических цепей, в которых пустоты и трещины различного уровня организации вещества представлены в виде резисторов, соединенных последовательно или параллельно, имитируя, соответственно, объемную и структурную чувствительность геоэлектрических моделей горных пород.

5. Решение обратной геоэлектрической задачи оценки по параметрам электрического поля структуры порово-трещинного пространства выполняется методом подбора исходного электрического поля расчетами конкретных геоэлектрических моделей пор и трещин.

6. Экспериментальная оценка структуры порово-трещинного пространства осуществляется лабораторными методами свободного водонасыщения предварительно обезвоженных образцов горных пород, с изучением во времени изменения их массы и электрических параметров.

7. Выделение уровней организации вещества в геоэлектрических моделях осуществляется путем выявления основных размеров неоднородностей математическими приемами аппарата структурных и автокорреляционных функций.

8. Для представления горных пород и массивов по уровням организации вещества используется математический аппарат сглаживания и корреляционно-регрессионного анализа в скользящих окнах, размеры которых соответствуют уровням организации вещества.

9. На основе предложенного комплекса методов геоэлектрического моделирования горных пород и массивов удается выявить принципиальные отличия и особенности распределения систем пустотности и трещиноватости как крупных геологических провинций, так и отдельных горных массивов.

10. Для реализации массовых измерений электрических параметров горных пород на образцах произвольной формы на малых базах измерения разработан принципиально новый электролитический способ лабораторного измерения электрических свойств горных пород, внедренный на сверхглубоких скважинах.

11. Выявленные зависимости геоэлектрических и геомеханических используют для трансформации геоэлектрических разрезов, планов, карт, отстроенных по методикам мелкомасштабного геоэлектрического картирования результатов электрокаротажа скважин в разрезы, планы, карты по отчетным инженерным физико-механическим параметрам. Методики внедрены в АО "Сафьяновская медь", в Уралтисизе и других предприятиях при выполнении инженерно-геологических исследований грунтов.

Использованные источники:

1. Кашкаров А.А. Измерение электрических свойств горных пород. -Екатеринбург. ИГД УрО РАН. 1997.

2. Петрофизические методы изучения железорудных месторождений на Урале. Методические рекомендации под ред. Б.П.Рыжего. -Екатеринбург. ПГО "Уралгеология". 1988.

© 1998 Александр А. Кашкаров, Андрей А. Панжин, Виталий В. Мельник