СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА Российский патент 1996 года по МПК G01V5/00 

Предполагаемое изобретение относится к области контроля современного геодинамического состояния зон с повышенной естественной или антропогенной макро или микро тектонической деятельностью радиометрическими методами и может быть применено в горном деле или физике земли.

Известен способ выявления современных геодинамических движений в тектонических структурах [10] заключающийся в применении стандартной эманационной съемки в пределах шахтных полей при отработке месторождений для выявления мелко- и среднеамплитудных современных движений. Способ применяется для наблюдения за деформацией земной поверхности в результате проходки подземных горных выработок, для прогноза зон зарождающихся в шахтах обвалов и осыпей и для экспрессного выявления зон современных движений пород в районах городского жилищного или капитального строительства.

Известно [1] (прототип), что абсолютные концентрации радона, вынесенные из горных пород водой, пропорциональны увеличению вероятности сейсмической деятельности контролируемого района земной коры. Авторами "радонового эффекта" выявлено, что незадолго до Ташкентского землетрясения 1966 года концентрация радона в термоминеральной воде, изливающейся из скважины, пробуренной вблизи от эпицентра землетрясения, начала увеличиваться и достигла накануне подземного толчка величины, превышающей примерно в три раза нормальную. После землетрясения концентрация радона сразу понизилась, но в последствии снова увеличивалась перед каждым повторным толчком.

Таким образом, были предсказаны основные толчки Газлинского (1971 г.) и Енгульского (1972 г.) землетрясений, а также некоторые рецидивы "подземной грозы" в Ташкенте. Однако эта закономерность не подтверждается для других тектонических зон кроме Ташкентской, где она выявлена. На абсолютные концентрации радона, растворенного в воде, может накладывать отпечаток возможное естественное изменение расхода (дебита) выносимых на дневную поверхность подземных вод [2] Она может зависеть как от внешних условий (климат, сезонные колебания, метеоусловия, атмосферное давление, осадки и т. п. ), так и от внутренних причин. Сама тектоническая деятельность может как создавать, так и нарушать естественные каналы (трещины и т.п.) выхода воды. Т.е. на момент измерений дебит воды может как увеличиваться, так и уменьшаться по сравнению с предыдущим периодом, в котором проводили такие измерения концентраций радона. Следовательно, может нарушиться обнаруженная закономерность "радонового эффекта". То есть о динамике напряженного состояния любой контролируемой тектонической зоны уверенную и однозначную информацию не всегда будут нести абсолютные содержания радона [2] Эта закономерность будет наблюдаться только в районах со сравнительно стабильной гидрогеологической и метеорологической обстановкой, например в районах с резко континентальным климатом. К ним относится и среднеазиатский район. Способ не универсален и требует измерений и учета расхода подземных вод, длительных и трудоемких предварительных исследований и не дает величин вероятности возникновения землетрясений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение универсальности, надежности и оперативности прогноза, расширение областей применения способа, снижение трудозатрат на предварительные исследования.

Поставленная цель достигается тем, что выбирают радиоактивный индикатор, ведут периодическую регистрацию интенсивностей радиационного поля от выбранного индикатора и затем проводят анализ полученных результатов, определяют изменчивость интенсивностей радиационного поля выбранного индикатора во времени и нормальную статистическую погрешность измеряемой величины интенсивности радиационного поля выбранного индикатора во времени, сравнивают их между собой и по результату сопоставления судят о современном геодинамическом состоянии контролируемого района и вероятности геодинамических движений в нем. Радиоактивный индикатор выбирают исходя из конкретной геодинамической задачи, например при краткосрочном прогнозе землетрясений используют эманации радона или торона, а при контроле и прогнозе горных ударов в подземных горных выработках используют высокоэнергетические бета-частицы и сопровождающее их тормозное и характеристическое рентгеновское излучение в интервале энергий 5-150 кэВ. Оценку вероятности геодинамических движений производят по следующей аналитической зависимости:

где нормальная статистическая погрешность измерений величины интенсивности радиационного поля контролируемого индикатора;
изменчивость интенсивности радиационного поля контролируемого индикатора во времени.

Предвестником землетрясений является величина напряженности горных пород. Напряженность горных пород сопровождается упругими колебаниями с частотой от единиц до десятков герц [3] в зависимости от величины напряженного состояния горного массива. Это приводит к периодическому сжатию-растяжению горных пород и увеличению их трещиноватости [4]
В результате естественного распада урана, содержащегося в горных породах, образуется радиогенный радон, накапливающийся в тех же породах. В результате упругих колебаний и благодаря им он с большей или меньшей скоростью диффундирует в горных породах по трещинам, смешивается с подземной водой и частично "растворяется" в ней. Вместе с подземными водами радон либо выходит на дневную поверхность естественными каналами, либо попадает в специально пробуренные для исследований скважины. Из последней периодически отбирают пробы воды для определений в ней концентраций радона. Растворимость и скорость диффузии радона и выхода воды зависят от частоты колебаний и трещиноватости пород. "Радоновый эффект", а также увеличение электропроводности [4] подтверждают, что увеличение напряженного состояния горных пород приводит к росту упругих колебаний и, следовательно, к росту скорости диффузии радона и увеличению его абсолютных концентраций, в т.ч. в отобранных пробах воды. Но, как указывалось выше, на абсолютные содержания радона, растворенного в воде, накладывает свой отпечаток дебит подземных вод. Следовательно, для более точного определения начала землетрясения при "радоновом эффекте" необходимо знать и учитывать эту величину отдельно.

Одновременно с ростом напряженности и частоты упругих колебаний горных пород, как уже было сказано выше, растут скорость диффузии и растворимость радона. Это увеличивает и степень равномерности выхода радона. Т.е. увеличение напряженности горных пород переводит степень равномерности выхода радона из ряда неустойчивого случайного процесса в более устойчивый. Косвенно этот факт подтверждается однозначной стабилизацией температуры геотермальной воды на фиксированной, постоянной величине непосредственно перед землетрясением [2]
Таким образом, для краткосрочного прогноза и определения вероятности землетрясения стоит задача выбрать параметр, отражающий степень изменчивости (упорядоченности) выхода радона, учесть в расчетах дебит воды, инструментально измерить выбранный параметр и сравнить его с нормальной его величиной.

Для радиометрических измерений интенсивностей радиационных полей такой нормальной величиной является среднеквадратическая статистическая погрешность измерений интенсивности , где среднее число частиц, регистрируемых счетчиком за выбранный интервал времени [5] В нашем случае степень равномерности выхода радона определяют величиной изменчивости периодически регистрируемого радиационного поля радона. Для этого берут последовательность интенсивностей счета частиц I_i от каждой i-ой пробы, где i 1.n. Для учета влияния изменения генерального среднего (т.е. увеличения или уменьшения во времени дебита воды) рассчитывают разность интенсивностей [6] в последовательно отобранных пробах воды:
ΔI = (I_i+1-I_i).
Время измерений интенсивностей I (или частоту отбора проб для этих измерений) выбирают минимальной. Затем находят величину изменчивости радиационного поля радона за выбранное время измерений:

где I_i+1 и I_i измерение ряда i+1 и i интенсивностей радиационного поля радона в последовательно отобранных пробах воды;
n количество последовательных измерений.

Для большей точности по законам статистики n берут не менее двадцати.

Затем находят относительную величину изменчивости радиационного поля радона:

где
Для получения информации о современном геодинамическом состоянии контролируемой тектонической зоны и оценки вероятности возможного землетрясения P берут отношение полученной по результатам контроля величины δ и величины нормальной относительной статистической погрешности:

Величина P даст нам представление о том, каком вероятностном геодинамическом состоянии находится в настоящее время контролируемая тектоническая зона, а при постоянном контроле покажет динамику развития напряженного состояния в ней.

ПРИМЕР 1. Рассмотрим случай применения предлагаемого способа для контроля макротектонической деятельности при краткосрочных прогнозах землетрясений.

Для этих целей в зонах промышленной или жилой застройки, находящихся в районе возможной повышенной тектонической деятельности, из специально пробуренных скважин отбирают пробы воды. Пробы берут единого объема через равные промежутки времени 0,1-0,3 часа, т.е. достаточно часто, чтобы возможные изменения дебита воды не отражались на результатах измерений. По общеизвестной методике [7] радиометрическими методами в каждой пробе воды контролируют концентрацию выделявшегося из нее радона по интенсивности зарегистрированного излучения радона I отдельной пробы. Затем по приведенной выше методике рассчитывают величины и и по отношению

находят величину вероятности P предполагаемого местного землетрясения в текущее время или ближайшие часы, т.е. современное макрогеодинамическое состояние исследуемого тектонического района.

ПРИМЕР 2. Другой областью применения способа можно предложить контроль за микротектонической деятельностью устойчивостью горных выработок под действием горного давления от возможных сколов и выбросов породы, называемого горными ударами.

В результате горного давления в горных породах образуются микротрещины [4] Особенно это характерно для стенок и кровли горных выработок, где трещины уменьшают их устойчивость, и это чревато серьезными авариями и человеческими жертвами. Поэтому задача контроля устойчивости горных выработок шахт или рудников и прогнозирования горных ударов с целью обеспечения и повышения безопасности ведения горных работ весьма актуальна.

Как уже было сказано выше, в процессе горного давления образуются микротрещины. Этот процесс сопровождается образованием электронов высоких энергий [8] В результате торможения последних в горных породах образуется тормозное гамма-излучение, которое в свою очередь возбуждает характеристическое излучение химических элементов, содержащихся в данной породе [5] Эти тормозное и характеристическое излучения регистрируют в выбранном диапазоне энергий, например 4-150 кэВ, поскольку энергии характеристического (рентгеновского) излучения большинства химических элементов находятся в этом диапазоне энергий и их не трудно зарегистрировать обычными средствами [5]
Процесс, а фактически скорость трещинообразования, можно характеризовать величиной относительной изменчивости регистрируемого радиационного поля выбранного индикатора . Чем выше скорость трещинообразования (т.е. чем больше упорядоченность этого процесса), тем меньше будет указанная величина.

В зависимости от решаемой задачи определяют либо поверхностную устойчивость, либо устойчивость по разрезу горной выработки. В этих случаях измерения указанной величины производят либо накладным, либо скважинным датчиком. Накладной датчик своей рабочей поверхностью приводят в жесткое фиксированное соприкосновение с поверхностью стенки горной выработки.

Скважинный прибор помещают в специально пробуренные для этих целей скважины или используют отбойные или геологические [9] В последнем случае детектор скважинного датчика последовательно устанавливают на необходимую глубину исследования, фиксируют его в этом положении и производят измерения. Результаты измерений позволяют сделать профиль напряженного состояния горной выработки, начиная от устья скважины вглубь горной породы. При долговременных наблюдениях или исследованиях датчик в любом из указанных случаев измерений может находиться в стационарном положении. Измерения в этом случае проводят дистанционно и автоматически без участия в измерениях и обработке оператора.

Для уменьшения влияния на результаты радиометрических измерений мешающих факторов ограничивают верхний уровень спектра регистрируемых энергий гамма-излучения от естественных радиоактивных нуклидов урана, тория, калия уровнем 150 кэВ [5] Измерения проводят в широком окне энергий рентгеновского излучения химических элементов, содержащихся в горных породах. Время измерения I выбирают достаточно малым, например 100-300 сек.

По приведенной выше методике определяют величины и и по их отношению рассчитывают величину вероятности микротектонических явлений, т.е. горного удара, разрушения горной выработки, выброса породы, ее устойчивость и т. п. или иначе современное микрогеодинамическое состояние горной выработки. На основании полученных результатов делают анализ и при необходимости корректировку по ходу проведения в данной выработке дальнейших горных работ.

Использование: в области контроля современного геодинамического состояния зон с повышенной тектонической активностью радиометрическими методами контроля. Сущность изобретения: выбирают радиоактивный индикатор. Ведут периодическую регистрацию радиационного поля по выбранному индикатору. Затем проводят анализ полученных результатов, определяют изменчивость радиационного поля выбранного индикатора и нормальную статистическую погрешность измеряемой величины интенсивности радиационного поля выбранного индикатора. Сравнивают эти величины между собой, по результатам сопоставления судят о современном геодинамическом состоянии тектонической зоны и вероятности геодинамического движения в ней. Оценку вероятности геодинамических движений производят по следующей аналитической зависимости: , где - нормальная статистическая погрешность измерений интенсивности радиационного поля контролируемого индикатора, - изменчивость интенсивности радиационного поля контролируемого индикатора во времени. Способ может быть реализован в т.ч. и в горном деле для прогнозирования горных ударов, возникающих из-за горного давления. Для реализации способа достаточно стандартной радиометрической аппаратуры, применяемой для исследования вещественного состава пород и руд. На современном техническом уровне такой автоматический и непрерывный контроль может быть легко налажен без больших капитальных и эксплуатационных затрат. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ выявления современного геодинамического состояния горного массива, включающий выбор радиоактивного индикатора, контроль характеристик радиационного поля выбранного индикатора во времени, выделение аномалий характеристик радиационного поля выбранного индикатора, анализ полученных результатов, отличающийся тем, что проводят сравнение нормальных характеристик радиационного поля выбранного индикатора с контролируемыми, а их сравнение и вероятностную оценку устойчивости горного массива (Р) производят по следующей аналитической зависимости

где нормальная статистическая погрешность измерений величины интенсивности радиационного поля выбранного индикатора;
J среднее число частиц или фотонов, регистрируемых счетчиком в пробах (не менее двадцати), каждая из которых отобрана через выбранный интервал времени, например 0,1-0,3 ч;
ΔJ контролируемая статистическая погрешность измерений интенсивностей радиационного поля выбранного индикатора,
и затем судят о его современном геодинамическом состоянии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что индикатор характеристик радиационного поля выбирают, исходя из решаемой задачи оценки современного геодинамического состояния горного массива, путем контроля за изменчивостью характеристик радиационного поля радона или торона, например для оценки вероятности землетрясений, или путем контроля за изменчивостью характеристик радиационного поля пород горного массивам, например для оценки вероятности горных ударов в горных выработках, а промежутки времени, в течение которых отбирают пробы для регистрации в них излучения радона или торона выбирают, например, 0,1-0,3 ч. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве индикатора характеристик радиационного поля горного массива для оценки вероятности горных ударов используют возникшие при образовании новых поверхностей энергетические электроны и сопровождающее их тормозное и рентгеновское излучения.