10; Методы контроля состояния массива горных пород

итехнологических процессов,

10.1.Свойства пород как источники информации

ских процессах их добычи и переработки является одной из важ­ нейших задач современного горного производства. Только хо­ рошо налаженный и своевременный контроль позволяет упра­ влять тем или иным технологическим процессом с целью дости­ жения оптимального конечного результата.

Система контроля и управления технологическим процессом включает следующие этапы:

1)фиксация величины контролируемого переменного пара­

метра;

2)передача информации об этом параметре либо автоматиче­

тот или иной производственный процесс.

Устройства автоматического регулирования бывают трех ви­ дов: автоматической стабилизации, когда требуется поддержи­ вать постоянное значение регулируемого параметра; про­ граммного регулирования — параметр должен изменяться по заданной програхмме; следящие устройства — когда закономер­ ности регулирования параметра заранее в программу не вве­ дены.

Таким образом, исходным звеном автоматизации технологи­ ческих процессов является фиксация величины переменного параметра (получение информации).

В физике горных пород рассматриваются процессы получения информации только о горных породах. Это осуществляется раз­ нообразными датчиками, основанными на физических свойствах пород и закономерностях их изменения под воздействием внеш­ них полей.

В одних случаях в породу закладывается определенный и с ­ к у с с т в е н н ы й э л е м е н т , на который воздействует по­ рода и изменения которого затем передаются регистрирующему прибору. В этом случае информатором является элемент и-полу­

Сигнал, поступающий на регистрирующий прибор, может быть либо следствием естественных процессов в горной породе,

Все существующие методы получения информации в зависи­

ния литосферы как по глубине, так и по площади изучаемых

ниченные по площади и глубине, проводимые при геофизических методах разведки полезных ископаемых, инженерно-геологиче­ ском изучении местности и при оценке состояния массивов по­ род, окружающих выработки действующих горных предприя­

пород и полезных ископаемых при различных технологических

Ниже более подробно рассматриваются локальные и техноло­ гические методы.

вов пород с поверхности Земли (или с поверхности горной выра­ ботки — в шахтном варианте), и с к в а ж и н н ы е , использу­ ющие для изучения массивов пробуренные в их толще скважины.

10.2. Исследование массивов методами полевой геофизики

Конечной задачей любого метода разведки месторождения является получение информации о наличии и качестве полезного ископаемого, форме и размерах рудного тела, состоянии и свой­ ствах массивов горных пород.

Поверхностные (полевые) методы исследования массивов осно­ ваны на различии в плотностных, магнитных, электрических

идругих свойствах горных пород разного минерального состава.

Вэтих методах используют либо аномалии естественных физиче­ ских полей, вызванные различными свойствами пород, либо

закономерности распространения искусственно возбуждаемых

вмассиве физических полей.

Взависимости от используемых свойств пород и физических полей все эти методы исследования подразделяют на гравита­ ционные, магнитные, радиометрические, сейсмические, электри­ ческие и высокочастотные радиоволновые.

Гравитационные методы. Как известно, сила взаимного при­ тяжения двух масс М и т вычисляется по закону Ньютона:

г — расстояние между центрами притягивающихся тел.

Рис. 10.2. Магнитная аномалия Za над намагниченным шаром

где М — масса Земли.

Очевидно, что изменение плотности в какой-то точке земной коры должно приводить к изменению силы тяжести и соответст­ венно величины g в данной точке.

Действительно, над более плотными рудными телами возни­ кают так называемые г р а в и т а ц и о н н ы е а н о м а л и и Ag (рис. 10.1), описываемые, например, в случае шарообразного

ложения центра рудного тела; х — расстояние от центра рудного тела по горизонтали до точки измерения аномалии (см. рис. 10.1).

В результате интерпретации измеренной аномалии находят глубину залегания рудного тела и примерные запасы полезного ископаемого.

Гравитационным методом можно разведать месторождения не только различных руд, обладающих повышенной плотностью, но и (по отрицательной аномалии) месторождения каменной соли, угля, газа и т. д.

Широкое применение гравитационные методы находят и при изучении месторождении нерудных ископаемых. Интенсивными положительными аномалиями Дg выделяют, например, пегматитовые, кварцевые, баритовые жилы, кимберлитовые алмазные трубки, месторождения слюд, марганца, боксита и т. д.

Применяя эти методы, можно в процессе эксплуатации месторождения отыскивать слепые рудные тела, засекать карстовые полости, включения плотных пород, раздробленные и рыхлые зоны и т. д.

Магнитные методы. Как и в случае гравитационного ноля, напряженность магнитного поля в каждой точке поверхности

новлен вид аномалии, то, зная величину х пород, можно рас­ считать объем рудного тела и глубину его залегания.

Пользуясь магнитными методами (магнитометрической съем­ кой), изучают не только месторождения ферромагнитных руд, но и нерудные полезные ископаемые, например кимберлитовые трубки, бокситы, россыпные месторождения золота и т. д. Методом микромагнитной съемки можно исследовать породы, залегающие на глубине 10—20 м. По результатам этой съемки можно судить о геолого-петрографических особенностях мас­ сива, трещиноватости пород, наличии карстовых полостей, кон­ тактах различных пород, разломах и т. д.

Радиометрические методы. При этом виде исследования масси­ вов используют естественные радиоактивные поля. Метод по­ зволяет изучать и обнаруживать не только радиоактивные руды, но и многие другие полезные ископаемые, хотя и незначительно, но отличающиеся по своей радиоактивности от вмещающих по­ род, — гранитные массивы, нефтегазоносные районы и т. д. Радиометрической съемкой также устанавливают строение мас­

сивов — выявляют плоскости разлома (рис. 10.3) и трещино­ ватости, интрузии и дайки.

Сейсмические методы. Одним из. основных среди методов искусственного поля является метод сейсморазведки, основан­ ный на исцользовании закономерностей распространения упру­ гих колебаний в массивах пород. На практике применяют два метода сейсморазведки — метод о т р а ж е н н ы х в о л н (МОВ)

Рис. 10.3. Пример использования радиометрической съемки для обна­ ружения зон разломов по интен­ сивности / естественного* гаммаизлучения

и к о р р е л я ц и о н н ы й м е т о д п р е л о м л е н н ы х в о л н (КМПВ).

Упругие колебания в породах можно возбуждать взрывом, ударом, механическими вибраторами, пьезоэлектрическими или магнитострикционными датчиками. Взрывной способ применяется для получения сейсмических колебаний, мехапический — в основ­ ном для получения колебаний инфра- и звуковых частот, пьезо­ электрические и магнитострикционные преобразователи — для получения ультразвуковых колебаний. Вдоль изучаемого напра­ вления (сейсмопрофиля) располагают серию (до 60) сейсмоприем­ ников, которые регистрируют моменты прихода упругих коле­ баний к соответствующей точке профиля, и записывают их на сей­ смограмму.'

В результате обработки сейсмограмм строят годографы

где t — время прихода отраженной упругой волны в точку, находящуюся на расстоянии х от пункта излучения колебаний; vx — скорость упругих волн в массиве пород выше границы отражения; Н — глубина расположения границы отраженных волн; ср — угол наклона границы, отражающей упругие волны.

По уравнению годографа (10.6) и графическому его изображе ­ нию вычисляют глубину залегания отражающего слоя, его угол падения, скорость упругих колебаний vv

Метод МОВ применим во всех случаях, когда удельные вол­ новые сопротивления двух сред различны (zx Ф z2).

Метод КМПВ основан на явлении полного внутреннего отра­ жения упругой волны и возникновения скользящей преломленной

колебаний соответственно в верхнем и нижнем пластах; ф — угол наклона нижнего пласта, вызвавшего преломление упругой волны.

По годографу преломленных волн вычисляют скорость упру­ гих волн в нижнем пласте v2, глубину его залегания Н и угол наклона ф.

Метод КМПВ применим только при условии, если v2 > uv

Перед применением сейсмических методов разведки-необходимо изучить скорости распространения упругих волн в породах, их плотность, а также коэффициенты отражения пород, так как сейсмоприемники могут давать достоверные показания лишь тогда, когда отраженная и достигшая поверх­ ности .волна обладает энергией не ниже чувствительности сейсмоприемников. С уменьшением частоты упругих колебаний возрастает их глубина проникно­ вения, но в то же время снижается направленность акустической волны, увеличивается дифракций и ухудшается разрешающая способность метода.

Сейсмические методы находят широкое применение не только при раз­ ведке месторождений полезных ископаемых, но и при инженерно-геологи­ ческих изысканиях, при оценке состояния массивов горных пород, зон нарушенностей, обнаружения разломов, карстовых полостей, зон многолетней мерзлоты и талых зон, при определении мощности зон выветривания пород и уровня грунтовых вод и т. д. Сейсмические наблюдения позволяют оценить физические свойства массивов горных пород — параметры упругости и проч­ ности, а следовательно, прогнозировать возможную технику и технологию разработки месторождения.

Сейсмические методы по сравнению с гравитационными и маг­ нитными более сложны и дорогостоящи, однако они дают более точную информацию о строении и состоянии массивов горных пород.

Электрические свойства пород используются в многочисленных методах электроразведки. Все эти методы делятся на две группы. Методами первой группы отыскивают и изучают аномалии в элек­ тромагнитных полях, методами второй группы определяют зако­ номерности прохождения электрических токов, а также погло­ щение, отражение и преломление электромагнитных волн в поро­ дах. Для целей электроразведки используют как постоянные электрические поля, так и переменные.

Наиболее распространены следующие электрические методы исследования массивов пород: методы собственных потенциалов,

заряженного тела, вызванной поляризации, кажущихся электро­ сопротивлений, пьезоэлектрический, магнитотеллурический.

М е т о д е с т е с т в е н н о г о э л е к т р и ч е с к о г о п о л я ( с о б с т в е н н ы х п о т е н ц и а л о в — ПС) заключается в после­ довательном замере потенциалов точек, расположенных на одной прямой линии относительно одной центральной точки (рис. 10.4).

Э,

и,мВ

Рис. 10.4. Метод собственных потенциалов (ПС):

а — схема установки; б — график естественного потенциала по профилю; в — место поглощения вод; соответствующее аномалии электрического поля: Я — элсктроразведочный потенциометр; — неподвижный электрод; Э 2 — подвижный электрод

Выявленные аномалии потенциала обычно указывают на на­ личие какого-то источника локальных токов. Как известно, такими источниками могут быть сульфидные или каменноуголь­ ные месторождения, а также пласты песчаника в сланцах и гли­ нах, места усиленной фильтрации подземных вод и др. (см. раз­ дел 4.8).

Если хорошо проводящая залежь вскрыта хотя бы одной скважиной или горной выработкой, либо имеет естественное

залежи в 10—20 раз и более. В результате залежь заряжается и создает вокруг себя электростатическое поле. Залежь оконтуривают эквипотенциальные линии. Это дает возможность про­ слеживая их распределение на поверхности Земли, определить

-границы и конфигурацию изучаемого объекта. Таким образом можно изучать рудные тела, пласты антрацита, залежи графита и т. д.

Электрическое ноле, создаваемое одним Зараженным телом, можно использовать также для обнаружения находящихся вблизи него других тел. Этим же методом пользуются для оценки направления и скорости фильтра­ ции подземных вод. При этом водные потоки превращают в электролит путем растворения в них через скважину солей. С поверхности изучают изменение эквипотенциальных линий во времени.

М е т о д в ы з в а н н о й п о л я р и з а ц и и (ВП) основан на измерении потенциалов, возникающих при поляризации гор­ ных пород после пропускания через них постоянного электриче­ ского тока.

По результатам измерений вычисляют поляризуемость пород т):

где ДС/ВП— разность потенциалов поляризации, возникших после того, как источник тока отключен; ДС/пр — разность потенциа­ лов на приемных электродах при пропускании тока через по­ роду.

Различия в т] для разных пород, находящихся в различном состоянии, позволяют судить о характере и состоянии породных массивов.

I Закономерности прохождения электрического тока в горных

Электроразведка методом электросопротивлений чаще всего

среде более 70% всего тока, подводимого к электродам, проходит на глубине от */з Д° Vio расстояния между питающими электро­ дами АВ.

Поэтому, увеличивая постепенно расстояние между пита­ ющими электродами А В , одновременно увеличивают глубину проникновения тока в массив. Такой вариант метода электросо­ противлений носит название метода в е р т и к а л ь н о г о э л е к т р и ч е с к о г о з о н д и р о в а н и я (ВЭЗ).

Построив в логарифмическом масштабе график рк = / ^ ( р и с . 10.7)

(кривую ВЭЗ), осуществляют его интерпретацию, в результате которой устанавливают удельные электрические сопротивления слоев пород и глу­ бину их залегания.

Интерпретация производится при помощи специальных палеток. В слу­ чае двухслойной кривой ВЭЗ, на которой правая ветвь наклонена к оси абсцисс под углом 45° (см./рис. 10.7, б), глубина залегания пласта находится как абсцисса точки пересечения асимптот, проведенных к правой и левой

Рис. 10.6. Четырехэлсктрод-

ная электроразведочная установка AMNB:

Рис. 10.7. Кривые вертикального электрического зондирования:

а — для двухслойного массива при р, > р2; б — для двухслойного массива при ра оо; в — для трехслойного массива при Pi > р2 > Рз

ветвям кривой, д электрическое сопротивление рЭ1 — как ордината этой же точки.

Так как правая ветвь на кривой ВЭЗ в данном случае не выполаживается, это значит, что удельное электрическое сопротивление второго слоя р32 близко к бесконечности.

либо профиля, получают кривую изменения рк по профилю на при­

гребенные структуры, выявляют разрывные нарушения (сбросы, сдвиги, разломы, зоны дробления), картируют мерзлые породы, трещиноватые и карстовые зоны, /осуществляют поиски об­ водненных зон и т. д. (рис. 10.8).

Результаты исследований по пьезоэлектрическому эффекту

применяется при поисках и исследовании кварцевых жил и пегма­ титовых рудных тел.

Сущность метода заключается в том, что упругие волны, воз­ бужденные в массиве взрывом, встретив на своем пути, например,

/ \ A nM N R "

х.м

Рис. 10.8. Интерпретация данных метода электропрофилирования четырехэлект­ родной установкой с двумя разносами питающих электродов A'MNB' и A"MNB"

(при А'В' с А"В")

кварцевую жилу, преобразуются последней в электромагнитные волны. Электрическая составляющая электромагнитной волны принимается заземленными электродами. По электросейсмограм­ мам судят о наличии и глубине залегания кварцевой жилы (или других горных пород — пьезоэлектриков).

Методы изучения массивов пород, использующие естествен­ ные переменные электромагнитные поля, наблюдаемые в Земной

ческого поля и определив его период колебаний 2Г, можно рас­

В высокочастотных радиоволновых методах исследования мас­ сивов используются электромагнитные свойства горных пород. Выделяют индуктивные, радиокомпарационные методы, радио­ волновых просвечиваний, интерференционные.

В и н д у к т и в н ы х м е т о д а х электромагнитное доле- в массиве создается индуктивным способом при помощи незаземленных рамок и петель, по которым пропускают ток разной частоты. Наличие хорошо проводящих тел в массивах приводит к индуцированию в них вторичных полей. Измеряя электрические и магнитные компоненты суммарного поля, получают аномалии, по которым можно судить о местоположении, размерах и проводи­ мости рудных включений.

V 7 7 7 7 7 7 7 Z 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7

Рис. 10.9. Интерпретация результатов разведки методом «радиокип»

Рис. 10.10. Радиоволновое просвечивание массива пород между двумя выработками:

Такими методами кроме хорошо проводящих рудных тел обнаруживают угли, графит, выявляют тектонические наруше­ ния и обводненные зоны.

Р а д и о к о м п а р а ц и о н н ы й метод («радиокип») осно­ ван на измерении по определенным маршрутам напряженности электромагнитного поля, создаваемого широковещательными ра­ диостанциями в диапазоне длинных волн. Измеряют вертикальную Н г и горизонтальную Н у составляющие поля и строят соответ­ ствующие графики (рис. 10.9). Над однородной (Ну = const), хорошо проводящей средой появляется максимум Н у, распо­ ложенный между двумя максимумами Н г, причем расстояние х между максимумами H z связано с глубиной h залегания верхней

Поэтому, определив интенсивность прошедшей через толщу породы электромагнитной волны, можно обнаружить области