Математическое обоснование электрометрического прогноза аномальных зон в углевмещающем комплексе пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

---------------------------------------- © В.Н. Захаров, В.М. Логачева,

2006

УДК 658.382.2:553.277

В.Н. Захаров, В.М. Логачева

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА АНОМАЛЬНЫХ ЗОН В УГЛЕВМЕЩАЮЩЕМ КОМПЛЕКСЕ ПОРОД*

Семинар №3

Т~1 лавной задачей интерпретации

.1 любой полученной геофизической информации является выделение аномалии на фоне помех. Многофакторная зависимость параметров поля от горногеологических условий залегания

углевмещающих пород приводит к

неоднозначности интерпретации

электрометрических данных. Решение прямой задачи (теоретический расчет электрического поля по заданной геометрической модели среды) позволяет изучить влияние практически любого геоэлектрического фактора на параметры

электрического поля. Для ряда

конкретных геоэлектрических моделей были решены с помощью ЭВМ

теоретические задачи распространения электрического поля и разработана методика интерпретации результатов электрометрического прогнозирования.

Апробирование методики проводилось на нескольких реальных геофизических задачах. На шахте "Бельковская" для лавы

108 восточная были проведены электрометрические исследования в наземно-скважинном (НСЭМ) и подземноскважинном (ПСЭМ) вариантах. Целью работ являлось установить причины прорыва воды в лаве № 104 восточной (смежной с подготавливаемой № 108 восточной) в районе пикета 70-75 и дать оценку степени обводненности окских и тульских известняков. Общий объем геофизических исследований составил 2116 физических точек и представлен измерениями на площади 150*900 м по сетке 10*10 методом НСЭМ и по обоим штрекам № 108 и № 110 - ПСЭМ.

На рис. 1 представлены графики

полевого электропрофилирования в модификации срединного градиента и подземно-скважинного метода. В

центральной части рисунка расположен план выемочного столба (рис. 1, а), в

верхней части - со стороны 108

восточного штрека - графики, полученные методом НСЭМ, проведенного над

*Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранд №05-05-65065).

штреком с дневной поверхности двумя разносами АВ = 900 м и А1В1 = 1400 м и методом ПСЭМ при измерении разности потенциалов по кровле (К) и почве (П) горной выработки (рис. 1, б); в нижней части - со стороны юго-восточного штрека - графики, полученные этим же методом соответственно над штреком и в горной выработке (рис. 1, в).

Результаты шахтных наблюдений подвергались обработке и интерпретации как вручную, так и с помощью ЭВМ, используя программу Mathcad. Статистические методы интерпретации графиков электрометрии позволяют исключить помехи, не поддающиеся

Рис. 1. Графики электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон методом НСЭМ и ПСЭМ: а - план горных работ по лаве 108 вост.; б - графики ДU метода НСЭМ и ПСЭМ по штреку 108 вост.; в - графики ДU метода НСЭМ и ПСЭМ по штреку 110 вост.

непосредственной оценке, и выделить полезную информацию объективно и более достоверно. На рис. 2 представ-лены результаты вероятностно-статисти-ческих методов интерпретации данных шахтных измерений по кровле штрека юговосточного. Полученный график

пятиточечного арифметического

осреднения (рис. 2, а) демонстрирует достигнутое сглаживание и на ПК 21-24 с уверенностью выделяется геофизическая аномалия. Однако пятиточечное осреднение может "загрубить" более мелкие аномальные эффекты, поэтому

Ли,шБ

20

15

АРИФМЕТИЧЕСКОЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ОСРЕДНЕНИЕ ПО 3 ТОЧК.

10

5

К

5,0

0

Р

0,5

0

// 41 1 1 - Гди+ди, 1 + Ди,

/ д 1 1. '

/ П I ч/ / 2 О о и <и V к а н о ск. ди, = у/ ди, ,/Ди„, Ди,-1

\ _ / 11 1 V &г

№ /V Л

МЕТОД ОТНОШЕНИЙ ГРАДИЕНТОВ ПОТЕНЦИАЛА

Ал |

Т!и Д Г1 АдУ; ЛгД

V// ,//

-к =

ли,-

лим

МЕТОД ОБРАТНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ Р =

У\

5

10

15

20

25

*1 = ехр{ А •£ [а, - И" + Л •£ [ - Ди] - ди]'[ . [2а 1=1 ^ 1=1 ]д]_

30 35

.А

40

45

50

55 ПК

Рис. 2. Графики результатов вероятностно-статистических методов интерпретации: а - графики Дик измеренный и осредненный; б - графики Дик осредненные методами арифметического и геометрического осреднения; в - графики, полученные методом отношения градиентов; г - график вероятности обнаружения аномалии

было проведано трехточечное графика дик по штреку 110 восточному

арифметическое и геометрическое (рис 2 б)

осреднения Оба осредненных графика дают

возможность выделить узкую локальную

аномальную зону ~ 10-30 м): на пикетах 22-2З - по графику арифметического осреднения и ПК 21-24

более сглаженный аномальный участок по

а) ГРАФИК Ли ПО КРОВЛЕ ШТРЕКА 110 ВОСТОЧНОГО

б)

ли

15

10

5

ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ АНОМАЛИЯ

а1 = 20; а2 = 10; .ли = аі : аз = 5;

а4 = 10; а5 = 20;

+о

ли

-о

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ПК

™ *

в) ГРАФИК ВЕРОЯТНОСТИ АНОМАЛИИ Р = —*+1

Рис. 3. Пример математической фильтрации электрометрических данных методом обратных вероятностей: а - график вероятности аномалии при измерении по кровле штрека 108 вост.; б - график вероятности аномалии при измерении по почве штрека 108 вост.; в - график вероятности аномалии при измерении по кровле штрека 110 вост.; г - график вероятности аномалии при измерении по почве штрека 110 вост.

графику геометрического осреднения. Для уточнения ширины аномалии проводились статистические расчеты по методу

отношения градиентов потенциала,

графики которых представлены на рис. 2, в. В случав отсутствия аномального объекта графики прямого (ди1/ Ди1+1 ) и

обратного ( ди1+1/ ди1 ) ходов

представляют собой прямую линию, так как ди1 равно ди1+1 и их отношение

равно единице. В случае наличия аномальных объектов на графиках К и 1/К обычно наблюдаются локальные

максимумы и минимумы.

Над объектом высокого сопротивления (необводненные нарушения) имеем слева минимум, справа максимум, а над хорошо проводящим инородным объектом (обводненные нарушения) - наоборот. На рис. 2, в точки пересечения графиков прямого и обратного хода указывают на наличие отрицательной аномалии. По величине 3с на пикетах 16-17 и 21-24 выделяются две аномалии. Первая аномалия трактуется как ложная, т.к. она не коррелируется с другими методами и, очевидно, вызвана высоким уровнем промышленных помех; вторая - отражает геологическую неоднородность и четко коррелируется с другими методами определения аномалии. Итак, ширина аномального объекта (размеры по простиранию) не более 30 м. Однако на ПК 40-41 наблюдается эффект, близкий к аномальному и требует дополнительного изучения и подтверждения наличия или отсутствия его геологической природы.

Одной из возможностей фильтрации полезной информации на фоне помех является интерпретация

электрометрических данных методом обратных вероятностей, математический аппарат которого отличается сложностью, и расчет вручную оказался трудоемким и длительным. Поэтому по разработанному методу была составлена программа математической фильтрации

электрометрических данных. Пример

математической фильтрации данных ПСЭМ по кровле 110 восточного штрека приведен на рис. 3, а на рис. 2, г - график вероятности обнаружения

детерминированной аномалии.

Основной особенностью при этом

является правильность выбора

детерминированной аномалии, которая должна отражать геологическую и физико-математическую сущности

моделей, поэтому по каждому профилю измерений задавались несколько аномалий соответственно типам

предполагаемых нарушений (карст, эрозионная или трещиноватая зоны).

На рис. 3, б представлена одна из нескольких просчитанных на ЭВМ

детерминированных аномалий. График вероятности наличия аномалии (рис. 3, в) несет синтезированную характеристику, отражая эффект двух заданных аномалий. Согласуясь с критерием наличия аномалии Р > 0,5, выделены две аномальные зоны на пикетах 21-24 и 45-47. Поскольку графики не приведены к нулевому среднему, функции а1 и дик берутся не в

абсолютных величинах, а относительно

V

математического ожидания дик по

профилю наблюдений. Выделенные аномальные зоны имеют следующие параметры в реальных условиях. Первая аномалия имеет эпицентр на ПК 22-24, глубина залегания от кровли штрека 110-восточного Иа= 25-30 м, ширина аномалии ^ = 10-30 м. Величина краевой аномалии Ак = 0,23, интенсивность п = 0,79. Согласно полученным численным критериям оценки аномалии, данным математического моделирования и анализу геолого-гидрогеологических особенностей изучаемого участка можно сделать вывод о наличии в верхнетульских известняках на ПК 22-24 штрека 110-восточного аномального объекта типа трещиноватой зоны. Вторая аномалия по данным методов интерпретации и анализа вышеперечисленных характеристик имеет геологическую природу

а)

б)

р

1,0

0,5

p>0,5 Щк MN - П о А А p>0,5

А [\ —1 Г\ к

в)

г)

Рис. 4. Корреляционный план графиков вероятностей аномалии по шахте "Бельковская ", лава 108 восточная

карстового типа нарушения в окских известняках на ПК 45-47. Ее параметры; ^ = 30-50 м, Иа = 25 м (от дневной поверхности), Ак = 0,15, пк = 0,57.

По корреляционному плану графиков (рисунок 4) вероятностей аномалий по данным ПСЭМ легко проследить обе аномальные зоны по штрекам 108 и 110-восточным. По данным НСЭМ получены контуры также этих аномалий по плану выемочного столба.

Таким образом, благодаря применению методики интерпретации электро-метрических данных НСЭМ и ПСЭМ, были рекомендованы к бурению контрольные и водопонижающие скважины в штреках 108 и 110-восточных на пикетах 22-24 и 45-47. Аномалия на пакетах 45-47 подтвердилась при бурении

контрольных скважин карстовым нарушением и образованием на дневной

0

поверхности над выемочным столбом воронки после отработки в этом участке. В зоне первой аномалии (ПК 22-24) не были пробурены восстающие

водопонижающие скважины, т.к. в период проведения электрометрических исследований и выдачи рекомендаций по бурению на ПК 21 штрека 110-восточного уже работала дренажная скважина, что побудило геологическую службу шахты отказаться от бурения дополнительной скважины. Однако в последствии на пикете 24+8 м произошел прорыв воды в лаву с выносом тульских глин, песков и огромных валунов переотложенных

тульских известняков. Причину прорыва можно объяснить нарушением геогидростатического равновесия по мере отработки лавы и наличием карстового нарушения на ПК 22-25.

Согласно приведенному примеру подобные аномальные зоны можно уверенно выделять по результатам вероятностно-статистических методов интерпретации электрометрических

данных. Разработанный комплекс методов обработки и интерпретации с использованием программы Mathcad позволяет достаточно быстро и объективно выявлять прорывоопасные зоны в толще надугольных пород.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Захаров В.Н. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН,

ЛогачеваВ.М. - доцент, кафедра «Физика», Новомосковский институт РХТУ им. Д. И. Менделеева, г. Новомосковск.

--------------------------------------------------- РУКОПИСИ ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Фомичев П.В. Понятия «Персонаж» и «Образ персонажа» в аудиовизуальной сфере (464/06-06 — 24.03.06) 9 с.

2. Фомичев П.В. Прокатимся, или Индустрия, которой еще нет (465/06-06 — 24.03.06) 17 с.

3. Фомичев П.В. Платить или не платить? Вот в чем вопрос (466/06-06 — 24.03.06) 12 с.