Способ геоэлектроразведки Советский патент 1993 года по МПК G01V3/02 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям, в частности к электрометрическим исследованиям, и может найти применение в горнодобывающей промышленности, строительстве и т.п. при исследованиях различных динамических геологических систем электроразведочными способами.

Известен и находит широкое примени ние при поисках и исследованиях пустот от старых горных выработок при повторных разработках месторождений полезных ископаемых ряд геофизических методов, таких как электрометрический, гравиметрический, магнитометрический. Указанные методы эффективны при поисках пустот и других статических геологических объектов, когда их размеры соизмеримы с

глубиной залегания, иначе поиски положи тельных результатов не дают.

В практике горнодобывающей промышленности часто возникает необходимость повторной отработки открытым способов карьеров, отработанных ранее на большук глубину шахтным способом. Эксплуатация таких карьеров часто осложняется проявле{ нием провалов в результате выхода на по; вёрхность пустот от старых горны; выработок. Пустоты от горных выработо|| могут располагаться на самых различны) глубинах, которые первоначально определяются горизонтами разработки месторождений. Со временем глубина залегания пустот в результате их динамики уже не соответствует тому горизонту, где они возникали. При этом при большом числе

VI 00 VI

го

00

§

со

горизонтов отработки пустоты могут располагаться одна над другой или разнесены в пространстве, при интенсивной динамике несколько пустот могут объединяться в одну и т.д. Размер одиночной пустоты определя- ется размером горной выработки (выемочной камеры и т.п.). Соотношения размеров пустот.и глубин их залегания, таким образом, могут быть самыми различными и имеют принципиальное, значение только при выборе методов обнаружения и исследования пустот: ;....:--- - .-

При ведении открытых горнцх работ опасны все пустоты. Поэтому перед началом горно-добывающих работ необходимо эти пустоты обнаружить и погасить, но задача обнаружения пустот на больших глуби- нах, когда глубина залегания значительно превышает линейные размеры пустот, представляет существенные трудности и, как правило, не решается. С другой стороны, известно, что динамика пустот сопровождается значительными структурными изменениями вмещающих пород, заключающимися в возникновении зоны трещино- ватости вокруг пустоты (горной выработки) .под влиянием напряженного состояния ее свода и стенок. Зоны структурных изменений занимают уже значительные пространства и могут служить поисковым признаком, указывающим на возможное наличие пустот. При структурных изменениях пород в своде пустоты по мере ее динамики процесс уплотнения-разуплотнения носит циклический характер. На первой стадии в породах куполов обрушения накапливается напряжение. По достижении его критических значений на пределе прочности пород наступает разгрузка (обрушение). Затем снова следует стадия накопления напряже- ний и.снова разгрузка и т.д. Удельное электрическое сопротивление (в практике работ

- кажущееся электрическое сопротивление)

-УЭС- пород куполов обрушения при этом также изменяется циклично. При накоплё- нии напряжений происходит уплотнение пород и их УЭС уменьшается по сравнению с неизменными породами. При разгрузке (обрушении) происходит разуплотнение пород и их УЭС увеличивается. Кажущееся электрическое сопротивление, таким образом, периодически проходит через минимальные и максимальные свои значения. Поэтому здесь необходимы систематические (многократные) измерения. При этом циклы наблюдений должны быть согласованы с циклами экстремальных изменений кажущегося электрического сопротивления.

Наиболее близким по сущности техни- ческого решения к изобретению является

способ контроля прочности цементного камня по кажущемуся электрическому сопротивлению 2. По этому способу проводят долговременные многократные электрометрические наблюдения над цементной противофильтрационной завесой и по постепенному увеличению кажущегося электрического сопротивления до установления его неизменных значений определяют степень заполнения трещин цементом и оценивают прочность образующегося цементного камня. : :

Основным недостатком этого способа при всей его простоте и мобильности является то, что он не обеспечивает достаточной информативности и достоверности при изучении нарушенных горных пород осадочного комплекса, когда такие динамические объекты, как пустоты, по кажущемуся электрическому сопротивлению или не выделяются вообще, или их выделение малодостоверно и носит случайный характер, поскольку интервал между циклами измерений назначается произвольно и не согласован с цикличностью экстремумов изменения кажущегося электрического сопротивления пород свода обрушения.

Целью изобретения является увеличение информативное ™ и достоверности способа геоэлектроразведки при изучении нарушенных пород осадочного комплекса.

Цель достигается тем, что по способу геоэлектроразведкй по методу электрометрии, по которому на исследуемой площади размещают стационарные многоразнрсныё;

измерительные установки, при этом их размеры выбирают исходя из глубинности метода и глубины залегания пустот, возбуждают в земле электрическое поле и многократно и многократно измеряют кажущееся электрическое .сопротивление рк ) с интервалом Т между циклами и по изменению приращений кажущегося электрического сопротивления во времени с учетом знака судят о наличии и динамике развития пустот, при этом интервал Т между измерениями определяют из соотношения

т 0,7 .

где 0,7 - константа, установленная экспериментально для пород осадочного комплекса, м; .

VT- скорость подвижки нарушенных пород (пустот), м/дн..

Интервал Т знакопеременных изменений экстремальных значений pk находится в обратной зависимости от скорости

обрушения. Чем выше скорость, тем короче интервал Т между измерениями. При этом между ними существует такое оптимальное соотношение (константа), при котором с учетом реальной разрешающей способности методов электрометрии возможно надежное измерение приращений /Ok . Эта константа может быть определена экспериментально, если известна одна из составляющих, например скорость обрушения,

Обозначим через Ve - известную скорость обрушения пород на конкретном месторождении, вмещающие породы которого представлены в основном следующими разновидностями:

а) крупно-галечными конгломератами, обычно плотно сцементированными глинисто-карбонатным цементом;

б) песчаниками, сцементированными глинистым материалом;

в) песчано-конгломератсвыми отложениями с большим количеством песчано-гли- ниетых прослоев, средне и слабо сцементированных карбонатно-глинистым материалом.. Тб - интервал между циклами измерений, обратно пропорциональный Ve; VT - скорость обрушения пород на любом произвольном месторождении; Т.- интервал между циклами измерений, обратно пропорциональный VT. При этом эти параметры связаны следующими соотношениями:

(1) ;VrT VeT6 (2):

т Vb ТУ

1 VT

(3)

Ve известна. Определив Те, выводим формулу расчета Т - интервала между циклами измерений рь для любого объекта в зависимости от скорости VT обрушения его пород.

Экспериментально установлено, что для скорости обрушения (подвижки) осадочных пород Ve 3 м/мес (0,1 м/дн), Т 7 дн. Измерения проведены над известной зоной динамики пустоты.

Основные запасы месторождения отобраны системами с обрушением налегающих пород, с возведением бетонных целиков и последующей отработкой камере закладкой выработанного пространства гравием. Часто на участках нижних горизонтов закладка выработанного пространства не применялась, что явилось причиной образования воронок обрушения. На поверхности месторождения образовалась мульда оседания. В мульде выделяются зона плавных оседаний и зона обрушения. На дневной поверхности образуются воронки

обрушения. Диаметры воронок от 10 до 50 м, глубина на момент образования от 10 до 50м. По результатам НИР и данным службы сдвижения рудника здесь выделены опасные участки возможного образования воронок обрушения, где для безопасного ведения открытых горных работ необходимо локализовать места возможного выхода пустот, определить их параметры и погасить. Средняя скорость обрушения пород на

месторождении определена следующим образом: на месторождении известно не менее 15 воронок обрушения, известны и даты их выхода на поверхность. Известны и вре- мя образования подземных пустот и первоначальная глубина залегания. Так что средняя скорость обрушения определяется легко и оказалась равной 3 м/мес (0,1 м/день).

Измерения по определению Тб проведены над известными зонами динамики пустот с циклом через 3 дн (фиг. 1; 1, 2, 3, 4 - порядковый номер цикла). Из представленной фигуры хорошо видно, что контрастные измерения приращений кажущегося электрического сопротивления на полуразносе АВ/2 100 м (цикл положительного экстремума ) обеспечиваются интервалом, между измерениями Те 7 дн (по достижении максимальных.значений р начинает

убывать).

Принимаем произведение Ve Те за константу С (следует из формулы 2) и рассчитываем ее численное значение при Ve 0,1 м/дн, Т 7 дн:

С 0,1 -7 0,7(м).

Таким образом, формула (3) расчета интервала (Т) между циклами измерений кажу- щегося электрического сопротивления в зависимости от скорости (VT) подвижки пород (пустот) приобретает следующий вид:

50

Т

0.7 VT

Интервал между циклами измерений кажущегося электрического сопротивления, взятый в зависимости от средней скорости подвижки пород и обеспечивающий контрастные измерения изменений кажущегося электрического сопротивления, позволяет детально проследить динамику структурного изменения пород геологического разреза

(уплотнение - разуплотнение) в результате продвижения пустот к поверхности.

На фиг. 1 дан пример определения интервала Т между наблюдениями; на фиг. 2 - пример выявления зон структурных нарушений по осредненному параметру на фиг, 3 - характер изменения относительного параметра Д в зоне структурных изменений пород (А) и в неизменных породах (Б),

На фиг. показаны циклы 1, 2,3, 4 наблюдений, а на фиг. 2 - графики А и зоны структурных нарушений соответственно 5,6 на разносе АВ 250 м и графики Af и зоны структурных нарушений соответственно 7, 8.

Предлагаемый способ геоэлектроразведки осуществляется следующим образом.

Пример. Проведены исследования на участке нарушенных горных пород осадочного комплекса, представляющего опасность ведению открытых горных работ из-за возможного выхода на поверхность пустот от старых горных выработок (шахты, горизонты 160, 260, 360 м) и где прямые поиски пустот ввиду их небольших размеров и большой глубины залегания положительных результатов не дали. Применена установка двухразносного срединного градиента с разносами АВ 250 и АВ 350 м с зарядкой планшета. Были заранее смонтированы стационарные питающие линии АВ, в которых при проведении измерений поддерживалось постоянное значение .питающего тока 150 мА при АВ 250 м и 100 мА при АВ 350 м. В качестве измерительной аппаратуры применен комплект ИКС-50. Измерения проводили в течение двух месяцев с интервалом между измерениями 7 дн (при скорости подвижки нарушенных пород 0,1 м/дн или иначе 3 м/мес). Относительная погрешность измерений кажущегося электрического сопротивления не превышает 4%. Измеряли падение потенциалов (A U) на приемной линии для последующего расчета кажущегося электрического сопротивления

РК (рк К -г-) и его приращений А

по

каждому циклу (

100%). Реn -pi

pi

зультаты представлялись графиками рк,А, а также осредненного параметра Д -

п

Анализ графиков А позволяет

определять область структурной нестабильности разреза, а знак параметра указывает на характер нестабильности или иначе на характер процесса (уплотнение или разуплотнение пород), протекающего на глубине

в результате движения пустот. Графики осредненного параметра А позволяют определить точно местоположение зон нестабильности. На фиг. 2 представлен

5 план графиков А на участке карьера, где возможен выход пустот на поверхность. Здесь 1 - графики А разноса АВ 250 м; 2 - графики А разноса АВ 350 м; 3 - зоны структурной нестабильности, при10 уроченные к АВ 250 м; 4 - зоны структурной нестабильности, приуроченные к АВ 350м/;

Один из графиков А с учетом знака приращений кажущегося электрического

15 сопротивления по каждому циклу измерений представлен на фиг. 3. Из представленной фигуры хорошо видна цикличность (которая носит квазигармонический характер) изменения относительного параметра

20 А в зоне деятельности известной пустоты, которая, в свою очередь, характеризует процесс обрушения горных пород.

Анализ имеющегося геолого-маркшейдерского материала позволяют сделать вы25 вод, что выявленные зоны, как правило, в пространственном отношении совпадают с пустотами от старых горных выработок.

Положительный эффект заключается в - том, что благодаря выбору интервала Т в

30 строгой зависимости от скорости обрушения пород и его согласованности с экстремальными изменениями кажущегося электрического сопротивления (pi) становится возможным выделение пустот от ста35 рых горных выработок независимо от линейных размеров пустот и глубины их залегания, т.е. использование изобретения позволяет увеличить информативность и достоверность метода сопротивлений и сокра40 .тить разведочное бурение.

Формула изобретения

Способ геоэлектроразведки, в котором 45 на исследуемой площади размещают стационарные многоразностные электрометрические установки, размеры которых выбирают исходя из глубины залегания пустот, возбуждают в. земле электрическое поле и 50 многократно измеряют кажущееся электрическое сопротивление, отличающееся тем, что, с цельюувеличения информативности и достоверности способа при изучении нарушенных пород осадочного комплекса,

55

кажущееся электрическое сопротивление измеряют с интервалом Т между циклами измерений и по изменению приращений кажущегося электрического сопротивления во времени с учетом знака судят о наличии и

динамике пустот, при этом интер&ал Т определяют исходя из соотношения: .7

т-где 0,7 - экспериментально установленная константа для пород осадочного комплекса: VT - скорость подвижки нарушенных пород или пустот, м/день.

Использование: в области геофизических исследований, в частности в горнодо- бывающей промышленности и строительстве при поисках и исследованиях старых пустот. Сущность изобретения: электроразведку осуществляют с использованием метода электрометрии. Кажущееся электрическое сопротивление измеряют в течение времени, необходимого для получения не менее трех циклов измерений. При этом интервал между циклами измерений определяют в зависимости от скорости обрушения пород. В качестве интерпретационного параметра для оценки динамики развития обрушения используют изменение приращения кажущегося электрического сопротивления с учетом его знака. 3 ил.

6, о JJ; л со л о

)-2 -

Фиг. 1

-4

о г 4 в 8 ю 12 it fa is

NX-:

; N

-/

О 2 46 в--10 12 М 16 18

02 4 б в ю 12 14 16 «

:. , - --2. ;--; :

.&-ч-й : :С : :/:::: -.

; N

-/

и

ФигЗ