Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-геологическое обоснование применимости методов электрометрии в условиях соляных шахт . 11
1.1.Физико-геологические особенности строения и состояния соляных пород Верхнекамского месторождения калийных солей. 12
1.2. Определение количественных значений электрических параметров соляных пород на основе анализа параметрического материала 18
2. Разработка и развитие технологий подземной элек трометрии . 26
2.1. Численное моделирование электрических полей для геоэлектрических условий ВКМКС. 26
2.2. Виды искажений и приемы повышения качества первичного материала . 28
2.3. Разработка экспресс-методов исследования околоштрекового пространства. 34
2.3.1. Методика и техника электропрофилирования гальваническими (контактными) методами. 35
2.3.2. Методика и техника электропрофилирования индуктивными (бесконтактными) методами 38
2.4. Разработка детализационных методов исследования. 43
2.4.1. Разработка и совершенствование методов объемной электрометрии. 43
2.4.2. Методика наблюдений и интерпретации результатов многоканального подземного электрического зондирования 51
2.4.3. Методика изучения анизотропных свойств среды 61
2.4.4. Разработка методики опережающей проходки штрека в условиях повышенного уровня помех 65
2.4.5. Разработка методики межштрекового просвечивания 73
2.4.6. Исследование возможности использования метода зондирова- ния становлением поля в шахтных условиях 83
3. Разработка технологий наземной и наземно-подземной электрометрии 89
3.1. Исследование возможностей использования метода электрического зондирования для изучения водозащитной толщи 90
3.2. Разработка методики и техники изучения ВЗТ методом становления поля в ближней зоне с помощью аппаратуры ТЕМ-FAST 100
3.3. Разработка методики наземно-подземного просвечивания 108
4. Использование техногенных электромагнитных полей для изучения геологической среды 114
4.1. Теоретическое обоснование возможности использования техногенных полей. 117
4.2. Методика электропрофилирования 121
4.3. Методика зондирования 123
4.4. Примеры использования метода 124
5. Комплекс методов электрометрии для решения задач, связанных с обеспечением безопасной отра ботки верхнекамского месторождения калийных солей 129
Заключение 132
Литература 135
- Определение количественных значений электрических параметров соляных пород на основе анализа параметрического материала
- Виды искажений и приемы повышения качества первичного материала
- Разработка методики и техники изучения ВЗТ методом становления поля в ближней зоне с помощью аппаратуры ТЕМ-FAST
- Методика электропрофилирования
Введение к работе
Общая характеристика работы.
Геофизические методы исследований играют важную роль в современном горном производстве как на стадии поисков и разведки полезных ископаемых, так и на стадии эксплуатации месторождений, доразведки и обеспечения безопасности ведения горных работ. Особое внимание уделяется соляным месторождениям, которые в силу специфики физико-геологических условий требуют нестандартных подходов к методикам геофизических измерений и приемам истолкования получаемой информации. В связи с этим, повышение эффективности одного из основных геофизических методов - метода электрометрии применительно к условиям Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), представляется актуальным и имеет большое практическое значение.
Перспективность применения электрометрии в условиях ВКМКС определяется в первую очередь тесной зависимостью электрических свойств пород от целого ряда факторов, связанных с изучением физических свойств и обеспечением безопасности ведения шахтных работ: трещиноватости, газо- и влаго-содержания соляных пород, их состава, структуры и текстуры, напряженно-деформированного состояния, а также высоким информационным потенциалом электрометрии, основанным на использовании различных по своей природе электромагнитных полей, разнообразием методов и методик их возбуждения и регистрации. Немаловажное значение играет и относительно высокая производительность в сочетании со сравнительно низкой стоимостью проведения таких работ.
Вопросам применения электрометрии для решения горно-геологических задач уделяли внимание многие исследователи: В.К.Хмелевской (1964, 1984, 1994), В.А.Шевнин, И.Н.Модин, И.Д.Игнатова, Е.В.Перваго (1995), В.С.Титлинов (1996), Р.Б.Журавлева (1992), Э.Х.Вишняков, О.В.Косарев, Е.И.Леонкин (1990), В.Ю.Задорожная (1992), Kessels (1985), Flach (1989), Yara-manci (2000), В.П.Колесников (1987, 1989, 1997-2004) и др.
Впервые наземные электроразведочные работы на территории ВКМКС были выполнены методом ВЭЗ в 1936 году А.М.Пылаевым. В дальнейшем изучением строения пород надсолевого комплекса с помощью методов ВЭЗ и СЭП занимались в различные года И.А.Комиссаров (1940, 1942), Г.П.Касаткин (1940), П.И.Новиков (1949), Ф.И.Жалыбин (1950), К.П.Иванов, А.П.Зудин, Р.И.Гескин (1955), В.Д.Новгородов (1965), И.М.Скумбин (1966), Б.Ю.Букин (1972), А.Г.Мелехов (1975), В.П.Колесников, В.А.Поносов, И.Н.Королев (1986), В.П.Беляев (1989), Т.В.Харитонов (1992). Кроме того, проводились опытно-методические работы по оценке эффективности методов 43 (В.С.Титлинов, Р.В.Журавлева, 1987), ЗСБ (М.Г.Фролович, А.В.Кавин, В.Д.Карпов, 1964; В.Ю.Задорожная, 1991).
Шахтные электроразведочные работы на рудниках ВКМКС начались в 1986 году с момента образования геофизического участка подземной геологоразведочной партии ПО «Уралкалий». Используемый набор методов включал метод срединных градиентов (СГ), и его модификацию - съёмку установкой (ANB)fixM (Э.Х.Вишняков и др., 1992), метод естественного поля (ЕП), которые сначала использовались в комплексе с дипольным осевым зондированием (ДОЗ), а в последствии вытеснили его как более дешёвые.
Применение методов электрометрии в условиях соляных шахт сопряжено с немалыми трудностями как в методическом плане, так и в плане истолкования полевых измерений, оказывающими влияние на эффективность использования традиционных наземных методов электроразведки. Слабая изученность физических свойств солей нередко приводят к противоречивым толкованиям результатов наблюдений и порождают массу вполне правомерных вопросов относительно информативности и достоверности получаемых материалов, касающихся природы выделяемых аномалий, определения глубинности исследований, влияния верхних и нижележащих толщ пород относительно штрека в формировании электрических полей, влияния локальных неоднородностей (луж конденсата, повышенной проводимости штыба, возможного наличия пленки конденсата на поверхности штрека), выработанного пространства, зависимости электрических свойств от времени проходки штрека и др.
Ответы на многие из этих вопросов, в силу специфики объекта исследований, весьма затруднительны и часто практически невозможны без выяснения природы и особенностей проводимости солей в условиях естественного их залегания, количественных оценок электрических свойств, слагающих разрез пород и изучения особенностей распространения электрического тока, накопления определенного параметрического материала, необходимого для повышения однозначности истолкования результатов электрометрии, что определило цели и задачи данной работы
Целью исследований являлась разработка теоретического и методического обеспечения электроразведочных работ в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей направленного на решение широкого спектра горно-геологических задач, повышение достоверности, информативности и геологической содержательности получаемых результатов. Основные задачи работы:
1. Составить физико-геологическое обоснование к применению методов электрометрии на ВКМКС.
2. Выполнить численное моделирование электрических полей для обоснования методик наблюдений в условиях ВКМКС и оценки влияния искажающих факторов (горных выработок, луж конденсата, металлического оборудования, электромагнитных помех и т. д.) на результаты электроразведочных измерений.
3. Разработать способы определения количественных параметров основных пачек соляных пород при изучении поля во внутренних точках среды.
4. Разработать методики, основанные на использовании многоканальных и векторных наблюдений при выполнении работ в условиях офаниченного пространства при наличии помех.
5. Изучить возможности использования техногенных электромагнитных полей для получения оперативной информации о геоэлектрических особенностях геологической среды.
6. Разработать оптимальный комплекс наземных, подземных и наземно-подземных электроразведочных методов для изучения надсолевых и солевых отложений.
Основные защищаемые положения:
1. Разработанные способы определения количественных параметров анизотропных геологических моделей пластового типа с использованием аналитических методов расчета электрического поля во внутренних точках среды, повышают информативность и достоверность результатов шахтной электрометрии.
2. Предложенные и обоснованные на основе математического моделирования и экспериментальных работ методики наземных, подземных и наземно-подземных электроразведочных наблюдений изучения физических свойств водозащитной толщи (ВЗТ) и околоштрекового пространства расширяют возможности и качество решаемых задач по обеспечению безопасной отработки Верхнекамского месторождения калийных солей.
3. Разработанные помехоустойчивые способы выявления аномал иеобра-зующих объектов в околоштрековом пространстве, основанные на применении многоканальных установок и методов численного моделирования: повышают точность количественных оценок физических и геометрических параметров среды.
4. Спектральные векторные измерения электромагнитного поля неконтролируемых (техногенных) источников и приемы их интерпретации обеспечивают получение оперативной информации о физических свойствах геологической среды.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые в условиях соляных месторождений:
- на основе изучения физико-геологических особенностей разреза, натурного физического моделирования и разработанного способа расчета электрического поля во внутренних точках среды дано научное обоснование механизма электропроводности основных комплексов соляных пород и с помощью разра ботанной технологии определены количественные значения их электрических свойств, включая анизотропию;
- выполнено развитие векторного способа определения пространственного положения аномалиеобразующего тела для случая измерений в анизотропной вмещающей среде;
- предложена и реализована методика наземно-подземного просвечивания массива пород с целью прямой оценки состояния водозащитной толщи;
- разработан помехоустойчивый метод опережающей разведки проходки штрека в условиях горизонтальной неоднородности разреза, основанный на использовании многоканальных наблюдений и эмпирических соотношений, полученных с помощью численного моделирования для определения положения аномальных объектов впередизабойного пространства;
- показаны возможности использования спектров электромагнитных полей неконтролируемых (техногенных) источников для изучения свойств геоэлектрического разреза на разных эффективных глубинах и экспресс оценки состояния геологической среды;
- адаптированы к геоэлектрическим условиям ВКМКС программно-измерительный комплекс импульсной электроразведки становлением поля в ближней зоне ТЕМ-FAST и компьютерная технология интерпретации результатов электрического зондирования ЗОНД, позволившие получить новую геолого-геофизическую информацию о геологическом строении месторождения и наличии зон потенциально опасных для ведения горно-технических работ.
Практическая ценность и значимость результатов исследований: Разработанный комплекс методов электрометрии внедрен в ОАО «Уралка-лий» и включен во «Временную инструкцию по проведению наземных и подземных электроразведочных работ с целью обеспечения безопасной отработки Верхнекамского месторождения калийных солей». В результате применения комплекса впервые получены количественные характеристики и коэффициенты анизотропии основных пачек пород, выявлен ряд зон, представляющих опасность для ведения горнотехнических работ.
Публикация и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 18 работ. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались с 1999 г. на конференциях и семинарах различного уровня: региональные научные конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2000, 2001), 1-я, 2-я, 3-я и 5-я Уральские молодежные научные школы по геофизике (Екатеринбург, 2000,2002, 2004, Пермь, 2001); международных конференциях "Проблемы безопасности и совершенствования горных работ". (Пермь, 1999), «Проблемы комплексного освоения месторождений солей» (Соликамск, 2000); 1-ой Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным зондированиям Земли (Москва, 2003), научных сессиях Горного института УрО РАН с 1999 по 2004 годы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы - 147 страниц текста, включая 33 рисунка, 2 таблицы и список использованной литературы из 129 наименований.
Исходные материалы и личный вклад автора. Диссертация отражает результаты исследований, проводившихся с 1999 года по госбюджетной и договорной тематике в Горном институте Уральского отделения РАН.. Постановка и выполнение теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, проведены при непосредственном участии автора.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему руководителю профессору В.П.Колесникову за профессиональную помощь при постановке задач, решении вопросов связанных с научной деятельностью и моральную поддержку, оказанную на всем протяжении написании работы.
Автор благодарен профессору Б.К.Матвееву и профессору В.М.Новоселицкому за дискуссии, обсуждение тематики работы и проявленное к ней внимание.
В процессе выполнения исследований автор ощущал поддержку и инициирование работ со стороны начальника геолого-маркшейдерского отдела ОАО «Уралкалий" Н.В.Кузнецова, главного геолога СП УПБиГРР С.Ю.Квиткина. Весьма полезными были обсуждения производственных вопросов с главным геологом ОАО «Сильвинит» Ю.В.Мынкой. Активное творческое участие при выполнении экспериментальных работ принимали сотрудники структурных геофизических подразделений ОАО "Уралкалий" и ОАО «Сильвинит» Е.М.Ефимов, С.А.Миронов, В.П.Матвеев, А.П.Сальников, В.П.Пронин, Е.В.Шарифьянова и др. Всем указанным лицам автор выражает искреннюю благодарность.
Определение количественных значений электрических параметров соляных пород на основе анализа параметрического материала
Рассмотрим ряд количественных оценок электрических, в том числе и анизотропных свойств соляных пород, раскрывающих особенности и возможности шахтной электрометрии, полученные в результате интерпретации параметрического подземного электрического зондирования [51].
Параметрическое подземное зондирование выполнено в панельном конвейерном штреке второго восточного блока 1СВП БКРУ-4. Максимальный разнос питающей линии установки составил 1500 м. Для повышения надежности было проведено двойное зондирование (на размотке и смотке питающей ли ний). Расхождения измеренных значений не превысили фоновый уровень погрешностей измерений (5%). Полученная кривая зондирования (рис. 1.1.) имеет типичный для интегральных методов плавный характер поведения. Количественная интерпретация, выполненная с помощью программы ЗОНД [46,47,62], позволила выделить семислойный разрез, с опорным горизонтом, соответствующим карбонатным отложениям терригенно-карбонатной толщи. При этом хорошее совпадение наблюденной кривой зондирования с расчетной указывает на ее соответствие квазигоризонтально-слоистой модели среды. Расхождения сравниваемых кривых, отмечаемые на первых двух разносах, связаны с влиянием на результаты измерений выработанного пространства штрека.
Сравнительный анализ результатов интерпретации и геологического разреза показывает, что выделенные геоэлектрические горизонты и по мощности, и по сопротивлению достаточно уверенно отождествляются с геологическими пачками пород верхнего относительно штрека полупространства.
Объяснением этого в данном случае являются два благоприятных фактора: а) сравнительная однородность по составу нижнего полупространства, представленного в основном подстилающей каменной солью, что обеспечивает его влияние в виде фоновой составляющей поля, и б) относительно высоким сопротивлением подстилающей каменной соли, во много раз превышающим среднее продольное сопротивление пород верхнего полупространства. Оценочные расчеты, выполненные на основе результатов интерпретации по формулам, приведенным на рис. 1.1, показывают, что коэффициент пропускания тока в верхнее полупространство в данном случае почти на порядок выше, чем в нижнее. Все это во многом объясняет преобладающее направление зондирования и позволяет судить об электрических сопротивлениях основных пачек соляных пород.
Вместе с тем, поскольку результаты зондирования отображают электрические свойства обобщенных пачек пород, содержащих влияние анизотропии (hj =A.j-hi , pj = Xj-pii ), отождествление и литологическая привязка геоэлектрических горизонтов дают возможность определения коэффициентов анизо тропии основных пачек соляных пород, связанных с их тонкослоистостью [34,66,67, 118, 119]. Значения коэффициентов анизотропии, найденные из соотношения мощностей соответствующих горизонтов, выделенные по резуль л . ВЭЗ / . СКВтатам зондирования и геологическим данным /ц = hj / щ , составили: для сильвинита и каменной соли - 1.4, для карналлита - 1.3, для толщи соляно-мергельных отложений - порядка 1.07.
Следует отметить, что анализ параметрических наблюдений на данный момент является, пожалуй, единственным и наиболее достоверным способом определения анизотропии соляных толщ, так как ни данные каротажа (в силу невозможности измерения микроанизотропии пород), ни наблюдения в штреках, которые позволяют определить коэффициент анизотропии лишь отдельных, вскрываемых при их проходке пачек пород, не могут дать полной информации об анизотропии соляных толщ.
Полученные результаты количественной интерпретации показали существенную дифференциацию по электрическому сопротивлению основных пачек, слагающих соляную толщу пород. Диапазон изменения сопротивлений составил от 1 700 до 38 000 Ом-м. Как и следовало ожидать, наиболее высокими сопротивлениями (р=38000 Ом-м) обладают породы с преобладающим содержанием каменной соли (как наиболее плотные), наименьшими (р=1 700 Ом-м) -карналлитовые породы, имеющие относительно пониженную плотность, к тому же в состав карналлита входит шесть молекул воды. Удельное электрическое сопротивление сильвинитовой пачки (р=16 000 Ом-м) занимает промежуточное положение относительно отмеченных выше пород. Низкие значения ссопротивления части сильвинитовой пачки (р=420 Ом-м), примыкающей к поверхности штрека до глубины порядка 0.8 м, объясняется повышенным содержанием поровой влаги, являющейся результатом образования конденсата на стенках штрека, (можно сделать вывод, что при изучении верхней части разреза (в том числе ВЗТ) более предпочтительными в данных условиях являются гальванические методы, а нижележащих пород, скажем, при поисках нефти - индуктивные методы).
Виды искажений и приемы повышения качества первичного материала
Снижение уровня погрешностей полевых наблюдений является одним из необходимых условий повышения достоверности истолкования результатов электрометрии. Можно выделить несколько видов помех, возникающих в процессе электроразведочных работ: 1) аппаратурные помехи, определяемые классом точности измерительных приборов, их защищенностью от внешних условий (электромагнитных полей, атмосферных факторов и др.); 2) методические помехи, обусловленные неточностью пространственного расположения питающих и приемных линий, индукционными наводками, утеч ками тока и др.; 3) "геологические помехи", под которыми будем понимать те особенности разреза, которые не представляют интереса в данном исследовании, например, влияние приповерхностных неоднородностей при решении задач выделения глубинных неоднородностей среды; 4) техногенные помехи (горные выработки, кабели, трубопроводы, скважины, промышленные сооружения и др.), которые вызывают трудности при истолковании результатов наблюдений. Методические и аппаратурные помехи носят в основном случайный характер. Их минимизация основывается на использовании методических и статистических приемов наблюдений и обработки результатов. Последние два вида из отмеченных выше помех требуют использования математических и физических методов анализа для количественной оценки и выявления особенностей их аномальных проявлений. Вопросы распознавания и подавления различного рода помех рассматривались в работах Л.И.Альпина, 1945; Н.Г.Шкабарни, 1990; В. Колесникова, 1976, 1981, 1993; О.Куфуда, 1984, В.А.Шевнина, 1988, 1994 и др. [31, 53,58,73,96,110,119,120]. Широкие возможности в решении данной проблемы появились в связи с разработкой программ численного моделирования в двумерно- и трехмерно-неоднородных средах. К настоящему времени в теории искажений выделяют несколько видов гальванических эффектов: 1) эффект S, обусловленный экранированием тока высокоомными включениями; 2) эффекты просачивания и обтекания, связанный с обтеканием этих включений снизу и с боков; 3) эффект экранирования, проявляющийся в ослаблении аномальных проявлений от частей разреза, расположенных ниже высо-коомных слоев; 4) эффект перетекания, приводящий к явлениям концентрации тока внутри проводящих линейно-вытянутых тел, и соответствующего уменьшения концентрации во вмещающей среде; 5) эффекты, возникающие при переходе электродов установки через контакты сред разной проводимости и т.п.
По характеру воздействия на результаты электрометрических наблюде ний гальванические эффекты подразделяются на Р-эффект, обусловленного расположением неоднородности вблизи приемной линии, и С-эффект - соответствующий ее расположению вблизи питающей линии. В случае электрического зондирования Р-эффект приводит к квазиконформному искажению кривых ВЭЗ, т.е. кривые зондирования смещаются по оси сопротивлений почти не меняя своей формы, в случае С-эффекта - к неконформному. При этом Р-эффект по величине обычно превышает С-эффект. Учитывая различие по величине и характеру воздействия на результаты электрометрических измерений названных эффектов, требуется разработка специальных приемов их распознавания и снижения. Вопросам снижения влияния данного вида помех посвящен ряд работ [53,57,58,73,96]. Один из разработанных нами приемов подавления Р-эффекта основан на использовании процедуры нормирования кривых рк. Суть ее сводится к тому, что кривые зондирования по профилю приводятся к фоновому уровню, в качестве которого в данном случае использовано среднее геометрическое всех измеренных значений Рк(г). Нормированное значение кривых ВЭЗ находится по формуле: где L — число точек зондирования; п — число разносов измерительной установки, Q- нормировочные коэффициенты, определяемые путем минимизации следующего функционала: В общем случае при проведении шахтных электроразведочных работ на результаты наблюдений могут оказывать влияние различные виды техногенных помех, включая структуру шахтного поля, определяемую наличием отработанного и неотработанного пространства; влияние штрека, вдоль которого проходят наблюдения; влияние горных выработок, пересекаемых линией Пример численного моделирования, представленный на рис. 2.2а показывает влияние горной выработки, пересекаемой линией наблюдений. Модель выработки задавалась в виде прямоугольного параллелепипеда с сопротивлением в 103 раз превышающим сопротивление вмещающей среды. Просчитывалась ситуация наклонной и перпендикулярной выработки к линии наблюдений. Результаты расчетов, представленные на рис. 2.2а, показывают, что влияние боковых выработок, может меняться в зависимости от их положения относительно установки в пределах от 5 до 30 % при заданных параметрах модели среды. Поскольку численные сеточные методы не всегда являются достаточно эффективными при расчете полей, создаваемых линейными объектами малого сечения (трубопроводы, скважины и т.п.), для их расчета был использован аналитический способ вычисления электрического поля точечного источника в полупространстве с линейным цилиндрическим включением. В основу аналитического способа расчета линейных проводящих объектов, положен расчет электрического поля точечного источника в полупространстве с линейным цилиндрическим включением [58]. где R=(r2+ r02-2rrocos(p+z2)1/2, ф - угол между радиус-векторами до источника г0 и приемного электрода г. Im(x), Km(x) - модифицированные функции Бесселя m-порядка, ет— множитель, имеющий значение ео=1 при т=0 и ет=2 для всех остальных членов ряда. Вт(А,), Ат(Х) — неизвестные функции от параметра суммирования .находятся из граничных условий (2.7). Первичный потенциал согласно интегралу Вебера и теореме сложения функций Бесселя представляется в виде следующего разложения: В отличие от известных подходов к решению данной задач, основанных на использовании асимптотических приближений [106], данный способ позволяет рассчитывать электрическое поле для вполне определенных значений диаметра линейного объекта и относительного его сопротивления. С помощью аналитического способа была выполнена количественная оценка влияния линейного проводящего объекта длиной много большей размера измерительной установки (электрического кабеля, трубопровода, металлических объектов и т.п.) (рис.2.2б.). Основные выводы в данном случае сводятся к следующему: 1. Аномальное проявление линейного проводящего объекта на разрезе кажущихся сопротивлений отображается в виде узколокализованной аномальной зоны пониженных значений кажущегося сопротивления, имеющей "сквозной" (пронизывающий весь разрез от начальных до конечных разносов питающей линии) характер; 2. Ширина аномальной зоны несколько увеличивается с глубиной от первых метров (при разносах АВ/2 до 10 м) до первых десятков метров (при разносах АВ/2 до 28 м), Величина аномалии при этом уменьшается от 45%, в центре аномальной зоны, до 7% на ее окраине. Полученные соотношения позволяют
Разработка методики и техники изучения ВЗТ методом становления поля в ближней зоне с помощью аппаратуры ТЕМ-FAST
Необходимость в использовании данного метода в условиях ВКМКС связана в первую очередь с ограниченной глубинностью исследования применявшихся ранее методов электрометрии на квазипостоянном токе, обусловленной влиянием анизотропии и экранных свойств соляных пород, а также недостаточно высокой их разрешающей способностью относительно выделения проводящих объектов в интервале залегания солевых отложений [6,68-70,102,108,119].
В целях изучения возможностей данного метода применительно к геоэлектрическим условиям ВКМКС, определения оптимальной методики, обеспечивающей необходимую информативность результатов наблюдений были выполнены модельные расчеты и экспериментальные наблюдения на ряде участков в районе БКРУ-1. Полевые наблюдения выполнены с помощью аппара-турно-программного комплекса TEM-FAST48 [124-127], предоставленного со трудниками геофизической лаборатории Института Космических Исследований РАН (г. Москва). Величина токового импульса 1А. Максимальное регистрируемое время становления поля - 16 мс, верхний уровень частот не менее 4 Мгц. Для управления процессом измерений используется Notebook, позволяющий увидеть и оценить результаты зондирований непосредственно в полевых условиях и при необходимости скорректировать режим измерений. Аппаратура обладает повышенной удароустойчивостью, оснащена системой автоградуировки и тестирования, отслеживающей корректность работы прибора в процессе измерений. В комплексе TEM-FAST48 предусмотрена фильтрация входного сигнала, для устранения влияния промышленных токов частотой 50 Гц.
Для обработки и интерпретации материалов ЗСБ бытли использованы программные средства, входящие в аппаратурно-программное обеспечение ТЕМ-FAST 48 (программа TEM-RESearcher), а также (на этапе качественной интерпретации и объемной визуализации результатов) система программ ЗОНД (46,47,62). Применение данных программ позволяет осуществлять первичную обработку полевого материала, качественную и количественную интерпретацию, анализ параметрических зондирований, графическое представление результатов. Трансформация нормированного сигнала в кривые кажущегося сопротивления при измерении процесса становления поля в ближней зоне источника осуществляется по формуле [67,119,120]:где ju0 - магнитная проницаемость в вакууме (ju0 = 4/г10" Гн/м), L - длина стороны петли в метрах, t - время регистрации, /"- питающий ток, в амперах, Е - измеренная Э.Д.С., в вольтах.
Основной задачей численного моделирования на данном этапе являлась оценка возможностей выделения в наблюденном поле проводящей зоны в интервале глубин залегания рассольного горизонта, а также времени становления поля и размеров генераторно-приемной петли, обеспечивающих необходимую для этого глубинность исследования. Были выполнены расчеты кривых ЗСБ при следующих параметрах рассольного горизонта: a) h= 10 м, р = 10 Ом-м, б) h= 20 м, р = 10 Ом-м, в) h = 30 м, р = 10 Ом-м. Размер одновитковой петли составлял 50x50 м-м, 100x100 м-м и 200x200 м-м. Отдельные из результатов расчета представлены на рис. 3.4.
Результаты моделирования (рис.3.4а,б,в) показали достаточно высокую чувствительность кривых зондирования становлением поля к наличию проводящей зоны, расположенной в верхней части водозащитной толщи. Достаточно уверенное проявление рассольного горизонта отмечается, начиная со значений продольной проводимости горизонта S=h/p большей 2 См, что значительно превышает разрешающую способность методов, основанных на использовании постоянного тока, в частности, метода ВЭЗ.
Технология зондирования методом становления поля включала: 1) проведение опытно-методических работ с целью выбора оптимальных для геоэлектрических условий исследуемой территории параметров измерительной установки, обеспечивающих наибольшую глубинность исследования при заданном уровне соотношения сигнал/помеха и 2) площадную съемку методом ЗСБ с учетом результатов опытных работ.
Выбор оптимальных параметров измерительной установки ТЕМ-FAST определяется заданием трех основных величин: 1) размера антенны (петли); 2) диапазона измерения переходных характеристик (параметр "time range"); 3) количества цифрового накопления сигнала (параметр "stack").
Для работы в наземных условиях использован однопетлевой (совмещенный) вариант измерительной установки, при котором одна и та же петля выполняет функции генераторной и приемной антенн. При выборе оптимальных параметров измерений учитывались следующие положения теории, вытекающие из физико-математических основ ТЕМ [5,35,68,69]:1. Увеличение размеров установки приводит к увеличению уровня принимаемых сигналов: на поздних стадиях соотношение сигнал/помеха пропорционально площади генераторной антенны;
Методика электропрофилирования
Поскольку метод ТЭМП относится к индуктивным методам, для регистрации техногенных полей, может быть использована как специальная, так и серийно выпускаемая электроразведочная аппаратура, разрабатываемая как в России ВНИИГеофизика, ЦНИГРИ, СНИИГГиМС, ВИРГ-Рудгеофизика, ВНИМИ и др.
Для регистрации полей, создаваемых техногенными объектами нами были использованы: аппаратурно-программный комплекс СЭР-1 (ВНИМИ), а так же мобильная измерительная система на базе ноутбук.
Электроразведочная станция СЭР-1 предназначена для генерации электромагнитных полей и регистрации их характеристик при электрометрических работах в подземных условиях (в том числе в шахтах опасных по газу и пыли) и на дневной поверхности.
В аппаратуре СЭР-1 реализован ряд последних тенденций развития современного электроразведочного оборудования (особенно актуальных для подземных работ), в частности:- переход от измерений на одной частоте к многочастотным наблюдениям, что дает возможность повысить информативность работ вследствие дифференциации проявления аномальных объектов на различных частотах;- широкое применение бесконтактных (индуктивных) способов измерений параметров электромагнитного поля, позволяющее повысить производительность труда при выполнении подземных электроразведочных работ, поскольку отпадает необходимость в заземлении приемных электродов и проверках качества заземления; — регистрация фазы сигнала, дающая возможность применять векторные методы электроразведки, с помощью которых можно определять положение аномалеобразующих объектов относительно штрека, и изучать естественные поля;— цифровая регистрация сигнала, являющаяся основой экспресс-обработки получаемых данных, что расширяет возможности электроразведки как одного из самых оперативных методов контроля состояния водозащитной толщи;— цифровое управление режимом измерения, что позволяет программно перенастраивать аппаратуру на другие методы измерения без изменения конструкции прибора.
В результате опытно методических работ [60,101] и анализа исследований предшествующих лет, разработана методика электропрофилирования, которая включает следующие этапы работ: 1) изучение спектра электромагнитных техногенных полей с целью вы явления наиболее информативных частот, обеспечивающих как устойчивую ре гистрацию сигнала, так и заданную глубинность исследования, оцениваемую с помощью приближенной формулы : где z - эффективная глубина проникновения электромагнитного поля в метрах, р- продольное сопротивление исследуемой толщи горных пород, / - частота поля; 2) выполнение режимных наблюдений спектра электромагнитных техногенных полей (при подземных наблюдениях рекомендуется выполнять синхронные наблюдения поля двумя комплектами измерителей, один из которых расположен в шахте (в центральной части исследуемого участка), второй - на земной поверхности (примерно над первым)); 3) анализ режимных наблюдений с целью выявления наиболее информативной частоты, обеспечивающей устойчивую регистрацию сигнала при за данной глубинности исследования; 4) измерение амплитудных значений компонент поля для выбранной частоты вдоль профиля наблюдений с заданным шагом. Рекомендуемый шаг между точками наземных наблюдений должен составлять не более z3(j, /3, а при шахтных наблюдениях - 10 м; в процессе измерений регистрируются составляющие поля, ориентированные во взаимно перпендикулярных направлениях: ось Z -вертикально вверх, а оси X и Y - соответственно на север-юг и запад-восток. Измеренные компоненты поля Exyz и Hxyz пересчитываются в относительные параметры: Z=EX/Hy, H0TH=HZ/Hr, E0TH=EZ/Er, характеризующие электрические свойства среды до эффективной глубины зондирования, где Hz, Ez -вертикальные, а Нг, Ег - радиальные компоненты напряженности магнитного и электрического полей. Результаты профилирования представляются в виде графиков, либо карт интерпретационных параметров Z, Нотнг, Еотн t для заданной частоты. Визуализация полученных материалов может выполняться с помощью системы ЗОНД [46,47,62]. Методика зондирования основана на использовании спектров электромагнитного поля, регистрируемых на каждом из пикетов профиля по трем ортогональным направлениям: Ex(t), Ey(t), Ez(t), Hx(t), Hy(t), Hz(t) в профильном или площадном вариантах [94,95,97,98,]. Для регистрации спектров используется программно-измерительный комплекс аппаратуры СЭР-1 в сочетании с портативным компьютером типа «Ноутбук» или мобильные системы измерений на базе АЦП. Первичная обработка результатов зондирований производится с помощью программы DSP (Digital signal processing), которая включает в себя: 1) расчет амплитудно-временных характеристик, за вычетом постоянной ктромагнитного поля: 2) пересчет вычисленных амплитудно-временных характеристик в частотную область (E(f), H(f)), реализуемый с помощью быстрого преобразования Фурье; 3) анализ полученных амплитудно-частотных характеристик с учетом режимных наблюдений с целью выбора оптимальных рабочих частот, соответствующих заданному уровню сигнала; 4) определение параметров поляризации электрического и магнитного полей для оптимальных частот; 5) выбор компонент поля с учетом параметров поляризации, соответствующих одинаковому типу волн; 6) вычисление относительных параметров Z(f)=Ex(f)/Hy(f), Е0Тн(і)= E /E f), НОТН(І)=Н2(І)/НГ(І) для полученных типов волн. Построение разрезов, карт и объемных отображений (при площадных съемках) параметров Z(f), Eo f), Нотн(і) с помощью системы ЗОНД. В отдельных случаях, может быть выполнена количественная интерпретация с использованием блока решения прямой задачи частотного зондирования (43) (рис. 4.2).
