CC BY
14
© Д.В. Григорьев, 2012
УДК 624.131.32 Д.В. Григорьев
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА МЕСТЕ БУДУЩЕГО ЭЛЬГИНСКОГО УГОЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Приведены некоторые результаты спектрального сейсмопрофилирования (ССП), входящего в состав комплексных геофизических исследований. Проведен комплексный анализ полученных результатов с другими применявшимися геофизическими методами.
Ключевые слова: хвостохранилище, техногенное месторождение, активная утилизация отходов, хвосты обогащения, минеральный и химический состав.
Ш Ш елью работы является выбор
* Д благоприятных и безопасных площадок для строительства промышленных объектов Эльгинского угольного комплекса. Уголь обеспечивает около 1/3 вырабатываемой в мире энергии. Разведанные промышленные запасы углей в мире составляют около 910 млрд. тонн. В России находится порядка 12—15 % мировых запасов угля. Эльгинское месторождение — наиболее перспективный объект для открытой разработки — находится на юго-востоке Республики Саха (Якутия) вблизи границы Амурской области и Хабаровского края. Ближайшими населенными пунктами к месторождению, от которых существует транспортная связь с месторождением, является г. Нерюнгри с аэропортом в пос. Чульман в 415 км от месторождения. Месторождение приурочено к синклинальной структуре Токийской впадины и представляет собой пологую брахисинклиналь, вытянутую в северо-западном направлении. Пласты угля и вмещающие породы имеют пологое (2—5°) падение.
Параллельно проводилось изучение современной геодинамической активности и структуры массива горных пород территории, прилегающей с севера к горному отводу Эльгинско-
го угольного месторождения, для выбора безопасных площадок строительства основных промышленных объектов угольного комплекса. Для этого были использованы геодинамические и геофизические методы исследований. Работа выполнялась силами творческого коллектива отдела геомеханики ИГД УрО РАН.
Изучение структурных особенностей массива горных пород и выявление расположения основных тектонических нарушений осуществляется с использованием геофизических методов, позволяющих оценить строение массива горных пород на глубины 100—150 м. Как показала практика, наиболее полную информацию об особенностях строения структуры массива горных пород можно получить используя комплекс геофизических методов, включающий спектральное сейсмопрофилирование (ССП) и некоторые варианты электроразведки. Т.к. эти методы базируются на разных геофизических свойствах массива горных пород, они обеспечивают разностороннюю информацию о местоположении структурных элементов, их параметрах, состоянии слагающих пород, гидрогеологических условиях.
Метод спектральной сейсморазведки основан на использовании за-
висимости между спектральным составом собственного колебательного процесса, возникающего при ударном воздействии на дневную поверхность, и строением породного массива.
Собственные упругие колебания, наблюдаемые при ударном воздействии на дневную поверхность, возникают из-за наличия в массиве колебательных систем, в качестве которых работают залегающие там геологические структуры. Сигналы, обусловленные наличием нескольких колебательных систем, представляют собой совокупность гармонических (синусоидальных) затухающих колебаний. Собственные упругие колебания возникают на поперечных (сдвиговых) колебаниях, и частота каждой составляющей fo¡ связана с соответствующим размером (мощностью) геологического объекта h¡, следующим соотношением:
h =
L
где Vcлв — скорость поперечного (сдвигового) упругого процесса.
На основании акустических исследований установлено, что величина Va№ в горных породах (и грунтах) не более чем на 10 % отличается от 2500 м/с.
Иллюстрирует метод рис. 1, на котором приведена схема перехода от сейсмосигнала к разрезу исследуемого массива. На рис. 1, а показан произвольно взятый сейсмосигнал на оси времени. С помощью преобразования Фурье любой изменяющийся во времени процесс может быть изображен на оси частот или, иначе говоря, в спектральном виде. На рис. 1, б приведено спектральное изображение того же самого сейсмосигнала. Спектральное изображение эквивалентно временному, но при этом дает большее разрешение по частоте, которое 308
не зависит от количества гармонических составляющих в сигнале.
На спектральном изображении видны гармонические составляющие сейсмосигнала с частотами: 10 Гц; 17,8 Гц; 26 Гц; 31 Гц и 50 Гц. Пересчет с помощью формулы (1) позволяет провести еще одну ось абсцисс — ось глубин (h), и тогда спектрограмма приобретает смысл разреза. В связи с обратно пропорциональной зависимостью между частотой и соответствующим ей размером, равномерной может быть только одна из осей абсцисс. Поскольку основная информация — это h, то равномерна ось глубин. Неравномерность оси частот приводит к тому, что с глубиной разрешающая способность метода уменьшается.
По оси ординат отложена величина плотности спектра A(f). Значения экстремальных значений плотности спектра имеют смысл добротности Q, и для всех гармонических составляющих лежат в пределах от 1,2 до 12,5.
Разрез естественно строить при вертикальном положении оси глубин. Поэтому спектральное изображение сейсмосигнала поворачивается на 90 градусов так, как это показано на рис. 1, в. Кроме того, из соображений удобства визуализации кривую спектрального изображения целесообразно дополнять симметричной ей кривой и получившуюся фигуру зачернять.
Различие по величине добротно-стей гармонических составляющих сейсмосигнала соответствует различию характера сцепления пород по каждой из границ. На глубинах 140 и 250 м границы наиболее четкие, то есть с наименьшим сцеплением между породами. Далее, с приближением к поверхности четкость границ спадает, а на глубине 50 граница не одна, а идет слоистый участок. А возможно,
Рис. 1. Схема перехода от сейсмосигнала к разрезу исследуемого массива
что не слоистым, а участок повышенной нарушенное™.
Более определенно можно классифицировать выявляемые границы и даже давать им геологическое истолкование при многократных сейсмоиз-мерениях, смещая место измерения от точки к точке. То есть, путем спек-трально-сейсморазведочного профилирования (ССП).
Границы, выявляемые с помощью спектрально-акустических (спектраль-но-сейсморазведочных) методов, представляют собой поверхности, по которым возможно взаимное проскальзывание соседних сред. Это весьма существенное отличие. Так, сомкнутая трещина для спектральной акустики является границей, тогда как при использовании традиционных методов
а
б
в
Рис. 2. Пример результатов электроразведки и ССП
она границей не является и, стало быть, выявлена не будет. Основными объектами, выявляемыми методом ССП, являются именно сомкнутые трещины и их совокупности, то есть зоны микротрещиноватости.
Зоны повышенной микротрещиноватости формируются в результате разного рода подвижек. В первую очередь, источником и стимулятором постоянно протекающих микроподвижек в осадочных породах являются находящиеся в породах кристаллического фундамента тектонические нарушения. В связи с этим, метод ССП оказался инструментом, с помощью которого могут выявляться зоны тектонических нарушений.
Уникальность метода ССП заключается в том, что с его помощью можно выявлять зоны с повышенным уровнем микронарушенности пород. Эта информация выводит на возможность оценки и прогноза несущей
способности грунта, и, следовательно, на возможность прогноза разного рода аварий и разрушения инженерных сооружений. Более подробно метод спектральной сейсморазведки описан в работах Гликмана А.Г.
В комплексе с ССП была использована электроразведка в варианте срединного градиента (МСГ).
Спектральное сейсмопрофилиро-вание пространственно (ССП) совмещалось с электроразведочными работами. Направления профилей выбирались с учетом геоморфологических особенностей района, для наилучшего выявления тектонических нарушений в результатах спектрального сейсмо-профилирования (ССП) профиля располагались вкрест простирания предполагаемых тектонических нарушений и зон трещиноватости. На рис. 2 приведен пример результатов исследований.
Результаты спектрального сейсмо-профилирования (ССП) показали:
• исследованная территория имеет достаточно сложную систему тектонических нарушений различных рангов блочной иерархии массива горных пород, прослеживаемых до глубины 150 м;
• тектонические нарушения, определяемые повышенной трещиновато-стью, имеют различные мощность, от первых метров до 350—400 м;
• на разных участках исследованной территории в массиве горных пород отмечается различная спайность между слоями от слабой, хорошо откликающейся на сейсмические сигналы, до высокой, снижающей добротность сейсмических сигналов.
По результатам электроразведочных работ можно сделать вывод, что исследуемая территория имеет сложное строение с достаточно развитой тектонической нарушенностью, представленной зонами повышенной тре-щиноватости.
Практика показывает, что применение спектрального сейсмопрофи-лирования (ССП) в комплексе геофизических методов для исследования массива горных пород позволяет получить достаточно полное представление о структуре массива горных пород, необходимое для выбора безопасных площадок размещения основных объектов угольного комплекса. шна
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Григорьев Данила Вячеславович — стажер-исследователь, Институт горного дела УрО РАН, е-шаП: danvg(a)el.ru.
А
ИЗ АРХИВОВ ГОРНЫХ ПРЕПРИЯТИЙ
Лебединский ГОК. Общий вид карьера
