CC BY
20
© Ю.А. Ним, A.B. Омельяненко, 2012
УДК 622.271
Ю.А. Ним, A.B. Омельяненко
АДАПТАЦИЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
Рассмотрена теория и экспериментальное подтверждение возможности изучения строений и криогенного состояния горных пород высокочастотным импульсным электромагнитным полем.
Ключевые слова: георадиолокация, горная порода, импульс Хэвисайда.
Многолетний опты геофизических работ в области криолитозоны показал, что в условиях распространения многолетнемерзлых пород для детальных малоглубинных исследований эффективны дистанционные методы высокочастотной электроразведки, из которых перспективным представляется метод георадиолокации.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможностей изучения детального строения и криогенного состояния пород импульсными электромагнитными полями высокой частоты, рассматриваемые автором, направлены на повышение информативности дистанционных исследований горного массива с поверхности и из горных выработок.
Комплексная оценка базовых данных по электрофизическим свойствам горных пород позволяет рассчитывать на эффективность применения метода георадиолокации в исследовании верхней части разреза наиболее вы-сокоомных пород криолитозоны. Зависимости электрофизических свойств мерзлых горных пород от температуры, давления, частоты, ли-тологического состава, льдистости, минерализации показывают, что сла-
бопоглошаюшие и немагнитные мерзлые четвертичные отложения наиболее приемлемы для изучения в неустановившихся электромагнитных полях высокой частоты.
В георадиолокации применяются два типа возбуждения неустановившегося поля: посредством однопо-лярных (8) импульсов, которые описываются функцией Дирака, излучаются линейно-поляризованные плоские электромагнитные (ТЕМ) волны; импульсами включения и выключения электрического тока (х — импульсы Хэвисайда), возбуждается тороидальное электромагнитное поле эллиптической поляризации. При возбуждении магнитного диполя токовым импульсом Хэвисайда дополнительно излучается вертикальная составляю-шая электромагнитного поля И и генерируется наибольшее количество гармоник, спектральные составляю-шие которых вычисляются в соответствии с выражением:
1 ™ „ - ¿Ш
1 ^ш .
F х ) = P ^ i F
-i ю
где Р0= I0dl = const — момент тока, ю — круговая частота.
Вертикальная компонента Hz нестационарного поля, возбуждаемого
импульсом Хэвисайда посредством излучения магнитной антенны расположенной на поверхности однородной среды с проводимостью о, электрической и магнитной проницаемостью е и ц, определяется выражением:
итУ/л P y
HZ (t) == —-exP
z цо t6
-2n
где т = 2п /-у/цо / ; г — расстояние от диполя до точки наблюдения.
В случае гармонических колебаний параметр т является аналогом длины электромагнитной волны А. Характер ослабления поля на расстояниях г>т определяется главным образом экс-понентой.
Компонента поля Бф представляется в виде суммы составляющих
цР
E (1) =
Еф 4пг2
[(1 + пт о )5(í-t о) +
+т0S'(t - t0 )] e nX° sin 0, при t=To,
nt 12 ) si
2 E
>>1, опреде-
e(2) = ф
1
л/2я n
)52 e - m;
где n = ■
В случае слабоэлектропроводящей среды (Е ф2) ^ 0), поле определяется
функцией Еф1, при этом ЭДС, наводимая в горизонтальном витке расположенном на оси магнитного диполя, связана с электрическим полем соотношением е ф1 = 2п • г • Е ф1 и, учитывая
токи смещения находится из выражения:
е ф1 = (1 + т )е- т ,
о r Ц
E(2) = цP n2T e~,yL "24''v"_— sin 0
Еф 4nr2 W t2 -T0 Sin 0'
при t>T0 ,
E = E(1) + E(2).
ф ф ф
где n = "2E; t o = ^л/ЦЁ; ¡2 — модифицированная функция Бесселя второго порядка.
В случае проводящей среды, когда токи проводимости преобладают над
токами смещения 1 о t
ляющим становится квазистационарное поле E(2), ЭДС которого, находится из выражения:
здесь т=пто= „
2 V е
Очевидно, что с возрастанием электропроводности и расстояния от источника, поле Е ф1 экспоненциально убывает и, как показывает анализ, в высокоомных средах формируется поле эллиптической поляризации, представляющее сумму составляющих Еф1 = Е х + Е у, и И2.
Суммарное поле, в момент прихода электромагнитной волны в точку наблюдения, определяется:
Е • = &(1 + т )е -" + 2Й ™ е
В случае исследования сред произвольной электропроводности в
суммарном поле Еф будет преобладать либо одна, либо вторая составляющая [1].
Цифровой георадиолокатор «Гео-скан ТОР» (рис. 1), разработанный в ИГДС СО РАН, предназначен для детального изучения структуры горных пород произвольной электропроводности с представлением информации в режиме непрерывных наблюдений.
т
Рис. 1. Георадиолокатор «Геоскан-ТОР»
Отличительные особенности георадиолокатора: направленное излучение нормированного по спектру электромагнитного поля возбуждаемого импульсом Хэвисайда и независимые измерения трёх составляюших поля Иг, Ех и Еу с функцией суммирования и фазового инвертирования в программно управляемом по динамическому диапазону трехканальном усилителе. Передаюшее антенное устройство, вертикальный магнитный вибратор, возбуждает в исследуемой среде поле И2, Еф эллиптической поляризации. Сформированное в дальней зоне поле, в виде временной последовательности отраженных от не-однородностей импульсов, наводится на вертикальный магнитный диполь приемной антенны в виде И2 состав-ляюшей и на ортогонально ориентированные электрические приемные диполи Ех и Еу линейной поляризации. Сигналы, через широкополосный
усилитель И2 канала и усилитель-сумматор Ех и Еу каналов, поступают на измерительное устройство для регистрации, цифровой обработки, накопления и записи [2].
Информация о геоэлектрическом разрезе на первом этапе необходима для построения физико-геологической модели изучаемой среды, с целью оптимальной постановки задач применительно к техническим и энергетическим возможностям георадиолокатора, а также для решения прямой задачи.
Для учета эффекта рассеяния поля в гетерогенных средах, моделируются дифракционные искажения георадиолокационных сигналов на локальных неоднородностях массива. В этом случае модель представляется каскадным включением четырехполюсников с комплексными функциями частотных характеристик приемо-передаюшей антенны
Зона регулярных отражений
>> у ■
" ';'! 1 Зона нарушенного
Л Т Q i^i^TTTJ Q
а. Ре1упярные отражения от границ раздела в зоне ненарушенного массива и их спектр;
б. Переотражения на неоднородностях нарушенного массива и их спектр.
Рис. 2. Результат георадиолокационны!х зондирований нарушенности массива с применением спектрального анализа сигналов
WaHT, вмещающей среды Wcp, функционально описываемой по формуле Дебая для е, и характеристикой частотной зависимости дифрагированного на неоднородности поля WaM(£. При условии, что фронт падающей ТЕМ волны плоскопараллелен большой оси неоднородности, дифракционные потери определяются из выражения:
млиф(ю) = Z CB(-j)nHn2)(yr2)exp(jna),
где H П2> (ю) — функция Ханкеля второго рода; у — комплексная постоянная распространения ТЕМ волны во вмещающей среде на частоте ю. Коэффициенты ряда Cn рассчитаются с учётом функции Бесселя.
Результирующая комплексная частотная характеристика определяется произведением W(a>) =WaH7(a>) Wcp (ю) Wä^(a)
При использовании спектрального подхода относительно зондирующего сигнала s0(t) находится спектр дифрагированного сигнала сигнала s(t) через прямое FT и обратное FT - преобразование Фурье:
s(t) = FT-1 {FT{so(t)} W(a)j.
В расчетном спектре частот 30100МГц, при динамическом диапазоне 40 дБ, моделирование дает следующие результаты:
• при дифракции поля на протяженной неоднородности, во вмещающем массиве возможна регистрация кварцевой жилы поперечного сечения более 200 мм;
• при дифракции поля на локальной неоднородности произвольной формы, возможна регистрация кварцевой друзы диаметром более 300 мм.
• Для уточнения азимутальных характеристик локальных неоднород-ностей проводится пространственно-временная обработка сигналов и ана-
лиз скорости распространения радиоимпульсов во вмещающей среде. После выявления сигналов s(t), отраженных от объектов исследований, их идентифицируют, анализируя исходные динамические, фазовые и частотно-спектральные характеристики зондирующего сигнала s0(t).
Основой для объяснения геологической природы обработанного георадиолокационного сигнала является методология сопоставления обобщенного статистического образа сигнала и сводной инженерно-геологической колонки участка работ. Качество геологической интерпретации во многом зависит от априорной информации о строении разреза. Геологическая интерпретация георадиолокационных разрезов базируется на результатах анализа керна скважин преимущественно по влажности, фациальному составу и минерализации. Влажность и минерализация пород являются определяющими факторами, описывающими функциональную взаимосвязь между криогенными, физико-механическими и электрофизическими свойствами среды. Информация о распределении льдистости по глубине разреза позволяет успешно идентифицировать опорные горизонты разреза.
Технология георадиолокационного зондирования апробирована при исследовании возможностей оценки нарушенности мерзлого массива. На выбранном по рекогносцировочным исследованиям участке с выявленной зоной нарушенности горизонтально-слоистой структуры массива проведены детальные георадиолокационные исследования. Один из разрезов глубин представлен на рис. 2. Зона нарушенного
массива по разрезу выделена контуром. Методом спектрального анализа сигналов в выбранном окне, разрез расчленен на два участка — участок (а) характеризуется широким спектром с огибаюшей близкой к огибаюшей зондируюшего сигнала, это зона регулярных отражений от границ слоев ненарушенного массива, а участок (б) — спектр, характе-ризуюший зону хаотичных переотражений на неоднородностях нарушенного массива. Характер нарушенного массива определяется узкой спектральной составляюшей на частоте 320 МГц, что ориентировочно соответствует длине волны в среде менее 0,5 м. По геологической оценке нарушенный массив «смят» на блоки с преобладаюшими геометрическими размерами около 0,7 м, что близко к георадиолокационному прогнозу.
Таким образом, применение спектрального анализа данных георадиолокационных исследований позволяет оценивать нарушенность горного массива, что открывает возможность определение блочно-сти массива с инструментальной точностью и выходом на расчетные характеристики несушей способности пород [4].
Многолетние экспериментальные исследования показали, что применение георадиолокации в комплексе горно-геофизических работ целесообразно по следуюшим основным направлениям:
• дистанционный ненарушаюший контроль за криогенным и нарушенным состоянием мёрзлого горного массива в процессе отработки месторождений наземным и подземным способами;
• опережаюший контроль за отработкой продуктивного горизонта;
• оперативная доразведка месторождения в процессе эксплуатации [3].
В результате выполненных теоретических и экспериментальных работ разработаны технологические основы импульсного высокочастотного электромагнитного зондирования мерзлого горного массива произвольной электропроводности. Разработаны и предложены к эксплуатации георадиолокационные устройства для исследования преимушественно мерзлых горных пород. Комплекс георадиолокационной аппаратуры обеспе-
чивает исследование мерзлых горных пород в пределах 30 м, с детальностью 0,5 — 1 м и повышает информативность системы посредством реализации режима измерений динамических и кинематических характеристик сигналов.
В результате проведенных исследований получены электрофизические свойства мерзлых горных пород ненарушенной текстуры in situ с целью пополнения банка данных для корректной интерпретации результатов георадиолокационных измерений.
1. Ним Ю.А. Модель учета эффекта Максвелла-Вагнера в теории импульсной электроразведки // Тезисы докл. IV Между-нар. конф. по математическому моделированию (Якутск, 2004 г.). — Якутск, 2004. — С. 77—79.
2. Омельяненко A.B., Федорова Л.Л. Зондирование диэлектрических сред перекрытых проводящим слоем электромагнитным полем, возбужденным вертикальным магнитным диполем // Георадар-2004: Тезисы. докл. IV Междунар. научно-практич. конф. (Москва 29 Ш — 2IV 2004 г.). — М., 2004. — С. 9-10.
3. Омельяненко, А. B. Георадиолокационные исследования структур и свойств горных пород // «Неклассические задачи
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
геомеханики» труды Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и по проблемам горных наук; г. Якутск, 16-20 июня 2008 г. / отв. ред. С.М. Ткач. — Якутск: Издательство ЯНЦ СО РАН, 2008 — С.25-33.
4. Омельяненко A.B. Перспективы применения георадиолокации при подземной разработке месторождения южной Якутии // Материалы II Республиканской научно-практической конференции «Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых южной Якутии» (г.Нерюнгри, 19-21 октября 2004 г.). — Изд-во Якутского ун-та, 2004. — С. 64. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ним Юрий Александрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова,
Омельяненко Александр Васильевич — доктор технических наук, заведующий лабораторией георадиолокации, e-mail: [email protected], Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
А
