МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДА ЗАРЯДА В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «РУДГЕОФИЗИКА»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДА ЗАРЯДА В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

ОДОБРЕНЫ Управлением геофизических работ Министерства геологии СССР 14 декабря 1984 г.

ЛЕНИНГРАД

1985

мерений. Длина электрода / не должна быть очень большой, на практике чаше всего ограничиваются длиной 0,2 м. При полном контакте вытянутого цилиндрического электрода со стенками скважины сопротивление его заземления при d_c<.l определяется как

S'JZT- С* ifr '    ⁽²¹⁾

где о — удельное электрическое сопротивление окружающих пород, 2| — коэффициент, учитывающий длину электрода и диаметр скважины.

Величину 2i в зависимости от реальных значений d_c и / можно оценить из табл. 1.

Таблица 1 Значения Z\ в зависимости от dc и /

1. М Диаметр скважины dt. м 0.046 0.059 0,076 0.091 0,1 2,3 1,9 0,15 2,0 1,7 1.5 — 0.2 1,7 1,5 1,3 1,2

Величины 2] для относительно больших размеров скважин при длинах электрода 0,1 м и 0,15 м в табл. 1 не приводятся, так как для этих случаев не соблюдается условие l^>d_c.

Из табл. I следует, что величина 2i для рассмотренных случаев равна 1,7 ±0,5, следовательно, значение сопротивления заземления цилиндрического электрода, полностью контактирующего со стенкой скважины, при грубой оценке с завышением может быть принято равным удвоенному значению удельного сопротивления окружающей среды. При этом величина q должна быть выражена в Ом*м, a R — в Ом.

Ближайшие к стенкам сухих скважин области обладают нередко значительно большим, чем ненарушенные участки пород, удельным электрическим сопротивлением. Это связано, например, с выкрашиванием рассланцованных пород, промерзанием стенок скважины и т. д. В этом случае сопротивление заземления цилиндрического электрода, диаметр которого сов-

10

падает с диаметром скважины, может быть оценено по формуле (2.2):

где d_a — внешний диаметр дополнительного плохо проводящего слоя; Q_a — его удельное электрическое сопротивление.

Значения коэффициента k, характеризующего изменение сопротивления заземления за счет дополнительного плохо проводящего слоя, приведены в табл. 2. При расчетах приняты /=0,2м и d=0,059 м.

Таблица 2 Значения k в зависимости от dg и qj Диаметр дополнительного слоя d,

0.060 0.069 0.090 0.12 0.24 2 1,02 1,2 1.6 2,1 3.1 5 1,08 1.7 2.9 4,2 7.3 10 1,16 2.5 5.0 7.7 14.0 102 2.67 17,0 43,0 72,0 141 I04 169,0 1600 4200 7100 14000

Как видно из табл. 2, наличие даже весьма тонкого, около 1 см мощностью, плохо проводящего слоя может увеличить сопротивление заземления в десятки и даже тысячи раз по сравнению с сопротивлением в неизмененных породах. Так, появление подобного слоя промерзших пород с удельным электрическим сопротивлением 10⁶ Ом-м, приведет к тому, что при изменении р от 100 Ом-м до 5-10⁵ Ом-м /?₃ будет изменяться лишь в 4 раза и составит от 16 до 60% значения сопротивления заземления, помещенного в массив промерзших пород. Аналогичным будет и влияние тонкого слоя сухих разрушенных пород.

Электроды, применяемые на практике, не могут иметь тот же диаметр, что и скважина. Опыт скважинных геофизических работ на рудных типах месторождений показывает, что для

II

обеспечения доставки зонда с электродом в скважину и малой вероятности заклинивания зонда, разница в диаметрах скважины и электрода должна составлять не менее 6—10 мм.

При наличии в стволе скважины жидкости бурового раствора, подземных или рудничных вод, контакт со стенками скважины обеспечивается с их помощью. Разница в диаметрах электрода и скважины практически не сказывается на сопротивлении заземления, значение которого не отличается от рассчитанного по формуле (2.1), а в случае проникновения скважинной жидкости в окружающие породы становится даже меньше ее.

В сухих скважинах, а также в тех, где жидкость имеется только вблизи нижней образующей (у наклонных и горизонтальных скважин), гальванический контакт может быть обеспечен только небольшой областью сопряжения поверхности цилиндрического электрода со стенкой скважины.

Значение сопротивления в таких случаях может быть оценено как сопротивление заземления вытянутой узкой пластины с 1^т, расположенной на поверхности породы,

Я, ^{1 е}*_е =/>■*,,    (23)

где 22 1^пт/_л[ — коэффициент, учитывающий геометрические размеры контакта; т — ширина пластины, а / — ее длина.

В дальнейшем под т будем понимать ширину полосы длиной I, обеспечивающей сопротивление заземления, определяемое по (2.3) и равное сопротивлению заземления электрода в реальных условиях.

Ширина эквивалентной полосы т зависит как от размеров скважины и электрода, так и от состояния стенок скважины.

В слабонаклонных и горизонтальных скважинах по их нижним образующим обычно имеется слой выкрошенной породы. Мощность этого слоя и особенно размеры слагающих его зерен и определяют величину т.

Значения 22 приведены в табл. 3. При этом предполагается, что ширина полосы т значительно меньше периметра скважины Р. В противном случае значения, приведенные в табл. 3, должны быть уменьшены в (1 + j}-) раз.

Значения Z2 в зависимости от / и т

/. И Ширина полосы т. м 10‘* 10'* 10-* 10“' 0.1 26 19 12 0.15 18 14 8.7 — 0.2 14 11 7.0 3.3

Как видно из табл. 3, суммарное сопротивление заземления двух приемных электродов длиной 10 см при ширине полосы касания 1 см составит 7,0 кОм, когда удельное электрическое сопротивление пород равно 3000 Ом*м. Такое сопротивление заземления является предельным для современной низкочастотной электроразведочной аппаратуры. Так, в АНЧ-3 [12] входное сопротивление составляет 1,5 МОм. Очевидно, что при меньшей ширине эквивалентной полосы касания или при более высоких значениях удельного сопротивления пород погрешность результатов измерений будет превышать 5%.

В скважинах с углом наклона, обеспечивающим скатывание рыхлого материала к забою, промежуточный проводящий слой между электродом и стенкой скважины практически отсутствует, что приводит к уменьшению поверхности контакта и к значительному возрастанию, вплоть до бесконечности, значения R₃.

Увеличивается, как было показано выше, сопротивление заземления и в тех случаях, когда рыхлый слой оказывается менее проводящим, чем окружающие породы: при полном обезвоживании наклонной скважины или при ее промерзании. В этих случаях величина R_3t определенная по формуле (2.3), так же как и для случаев цилиндрического заземления (2.2), возрастает в k раз.

Возможность существования больших переходных сопротивлений при измерениях в скважинах требует проведения работ с их постоянным контролем, использованием специальных электродов, например, прижимных, и применения аппаратуры с высоким входным сопротивлением.

Наличие в подземных горных выработках труб, кабелей, рельсов и других вытянутых линейных коммуникаций, именуемых искусственными проводниками [7], приводит к перераспределению вблизи них электрического поля. При использовании источников постоянного и низкочастотного тока наиболее

13

сильное влияние на характер поведения электрического поля в выработках оказывают искусственные проводники, имеющие хорошую гальваническую связь с окружающими породами. Это, в первую очередь, рельсы, специально заземляемые при троллейной системе откатки, а также провода линий заземления и некоторые трубы. Основные особенности воздействия металлических коммуникаций на потенциал электрического поля точечного источника рассмотрены в разделе I (см. рис. 1). Ниже приводятся результаты ряда экспериментов, проведенных непосредственно в горных выработках, позволяющие получить более наглядное представление о характере и степени вносимых искусственными проводниками искажений при практических исследованиях.

Очевидно, что с приближением точечного источника поля к вытянутому проводнику потенциал последнего относительно удаленной в бесконечность точки возрастает. При непосредственном контакте точечного источника и вытянутого проводника последний становится частью источника — заряженным телом. В этих случаях характер электрического поля вблизи искусственного проводника полностью совпадает с характером поля около эквипотенциального заряженного тела, подробно рассмотренным в литературе по методу заряда [1—4; 8; 10].

Особенности распределения электрического потенциала вблизи такого проводника в горной выработке могут быть проиллюстрированы графиками, приведенными на рис. 2. Измерения проводились по нескольким профилям, проложенным вдоль выработки параллельно рельсам. Номера профилей и соответствующих им графиков обозначены на схеме сечения выработки, приведенной на рис. 2. Источник тока располагался в непосредственной близости от рельсов, в подошве выработки на пикете 59. Участок рельсового пути, протягивающийся от источника тока до пикета 53,8, имеет гальваническую связь между отдельными рельсами и обладает на всем своем протяжении постоянным потенциалом относительно удаленной точки (график 2). Это подтверждает правомерность отождествления заземленных непрерывных металлических коммуникаций с эквипотенциальными проводниками.

Значения потенциала, измеренные по стенке и кровле выработки (графики 6 и 7, соответственно), во всех сечениях штрека на этом отрезке ниже, чем потенциал рельса. С удалением точки наблюдения от рельса сначала к стенке и далее к кровле выработки потенциал убывает, не выходя на какое-либо, независимое от расстояния до рельсов, значение. В то же время

UtHB

Рис. 2. Графики потенциала электрического поля в оборудованной выработке и схема расположения точек измерений в ней. Индексы кривых — соответствующие положения точек измерения на схеме

при перемещении точки измерения по профилю значения потенциала на этом участке изменяются незначительно.

Отмеченные особенности характера распределения потенциала показывают, что при расположении точки заряда в выработке, оборудованной заземленными искусственными проводниками, имеющими непрерывную гальваническую связь, проводники выступают в качестве источника тока. Интерпретация результатов наблюдений в таких случаях должна вестись с учетом реальных размеров источника тока. При проведении работ по увязке отдельных рудных подсечений между выработками наличие такого источника может создать непреодолимые трудности, обусловленные объединением искусственными проводниками различных рудных тел, пересекаемых выработкой, в общий источник тока.

Минимальное расстояние, на которое необходимо удалить источник тока от искусственных проводников, чтобы не рассматривать их как. часть общего заряженного тела, зависит от многих факторов: сопротивления заземления искусственного проводника, электропроводности горных пород и объекта,

15

УДК 550.837

Рассмотрены особенности горнотехнических и геоэлектрических условий для проведения работ методом заряда в подземных горных выработках: нерегулярная редкая сеть наблюдений, высокие переходные сопротивления в сухих скважинах, влияние металлических коммуникаций, высокий уровень помех от электросиловых установок, большая изменчивость электропроводности горных пород и руд, наличие околовыработочного слоя измененных пород.

Даны рекомендацин по проведению работ методом заряда на предварительной стадии исследований (ознакомление, изучение электрических свойств в условиях естественного залегания, определение геологических задач), по выбору рабочей частоты, мест расположения точек заряда, профилей наблюдения, удаленных электродов и соединительных линий, по оценке влияния искусственных проводников.

Методические рекомендации предназначены для геофизиков-электроразведчиков. проводящих работы по изучению пространственного положения рудных тел, рудосодержащих и рудоконтролирующих структур на стадии детальной и эксплуатационной разведки в подземных горных выработках и скважинах подземного бурения.

Составители: Г. В. Редько, А. П. Савицкий, А. В. Гулимов, А. Л. Корнилов, А. Ю. Ловчиков.

Научный редактор А. П. Савицкий.

(g) Научно-производственное объединение «Рудгеофизика», 1985.

ВВЕДЕНИЕ

Метод заряда является одним из основных электрораз-ведочных методов, применяемых при геологическом изучении пространства около подземных горных выработок и скважин. При его проведении изучают распределение электромагнитного поля от заземленного источника постоянного или низкочастотного переменного тока, расположенного в скважине или подземной горной выработке.

Применение метода заряда при детальных подземных разведочных работах помогает уточнить форму и элементы залегания рудных тел, выявить взаимосвязь отдельных рудных подсечений, проследить в пространстве положение рудоконтролирующих структур. При эксплуатации месторождений с использованием подземных горных выработок метод заряда может использоваться также с целью выявления и прослеживания опасных для ведения проходческих работ зон повышенной трещиноватости, обводненности и т. д.

Основы методики наблюдений и интерпретации их результатов методом заряда в подземных условиях опираются на многочисленные разработки по теории и практике метода, выполненные в различные годы А. С. Семеновым, И. К. Овчинниковым, А. С. Поляковым, П. Ф. Родионовым, А. Ф. Фокиным и другими исследователями, в частности на те, которые посвящены скважинным исследованиям [1—4].

Практика использования метода заряда в подземных выработках и скважинах выявила и определенные особенности его применения, обусловленные горнотехническими и геоэлектриче-скнми условиями работ. Сюда относятся ограниченная сеть наблюдений, плохие условия заземления питающей и приемной линии, искажающее влияние металлических коммуникаций, расположенных в горных выработках, высокий уровень промышленных помех, наличие объектов, близких по электрическим свойствам к рудным телам, большая неоднородность по электропроводности как рудных тел, так и вмещающих пород. В той или иной степени эти вопросы находили освещение в периодической литературе [5—7 и др.), однако в систематизированном виде рассмотрены не были.

Настоящие методические рекомендации предназначены для ликвидации этого пробела и оказания помощи производственным организациям в постановке и проведении работ методом заряда в подземных выработках и скважинах. Для упрощения изложения теоретические основы и особенности работ в под-

з

земных условиях рассматриваются на примере одной из модификаций метода, использующей измерения потенциала электрического поля. При рассмотрении методики работ уделяется внимание месту метода заряда в общем комплексе методов подземной электроразведки.

Методические рекомендации составлены на основе работ НПО «Рудгеофизика> и производственных организаций, в первую очередь Среднеазиатской ГРЭ.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ЗАРЯДА В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

В основе теории заряда лежат представления о поле погруженного источника тока. В настоящее время в специальной и учебной литературе имеется большое количество работ, посвященных этому вопросу. Наиболее полно современное состояние теоретических основ качественной и количественной интерпретации данных, получаемых при измерениях методом заряда, отражено в работе [8].

Расстояния между источником поля и профилем наблюдения в подземных условиях обычно малы по сравнению с расстояниями при наземных измерениях и не превышают первых сотен метров. Это позволяет применять теорию, разработанную для источников постоянного тока, и при использовании низкочастотных источников. Оценочным критерием такого допущения может служить условие:

~j£~ < 10* ■>    (11)

где \ — рабочая частота, Гц; R — расстояние от источника до точки наблюдения, м; о — удельное электрическое сопротивление пород, Ом*м.

Так при q = 10³ Ом*м и /? = 200 м, распределение поля соответствует источнику постоянного тока при рабочих частотах ниже 250 Гц.

Для более точной оценки соответствия результатов работ на переменном токе результатам измерений с источником постоянного тока можно воспользоваться данными расчетов.

4

приведенными в работе [9), а также номограммой для выбора рабочей частоты, представленной в работе [8].

Интерпретация данных метода заряда в подземных условиях обычно основывается на сопоставлении измеренных характеристик электромагнитного поля с результатами математического или физического моделирования среды, в той или иной степени соответствующей практической обстановке и определяемой, по возможности, малым числом параметров.

Наиболее простой и часто употребляемой моделью является поле точечного источника в однородной изотропной среде. В этом случае потенциал электрического постоянного поля определяется как:

(1.2)

где I — ток в источнике, А.

При измерениях вблизи дневной поверхности эта модель оказывается недостаточной, и при расчетах потенциала электрического поля используется формула

где (R')²=r²+ (z-f-d)² — расстояние от зеркально-отраженного источника до точки наблюдения; d — глубина погружения источника; z — глубина точки наблюдения; г — проекция R на дневную поверхность.

Дневная поверхность при расчетах по (1.3) предполагается плоской. Значения d и z определяются по перпендикуляру к ней.

При проведении исследований в тонкослоистых средах, сланцах, других породах, обладающих различным удельным электрическим сопротивлением в направлении слоистости и вкрест ее, удобна модель анизотропной среды. В этом случае для прямоугольной системы координат с началом в точке размещения источника поля и осью Z, направленной вертикально вверх, при слоистости, наклонной к оси X под углом б, выражение потенциала имеет вид (10):

в плоскости Х=0 (параллельной простиранию слоистости)

¹    «    (1.4)

в плоскости У=0 (перпендикулярной к простиранию слоистости)

у/ _ ЧЛт [    *

^а= \[Вх‘+А(<1-х)^г+2СхЧ'^/г +

1 1 ⁽¹'⁵⁾

⁺ [Bx‘+A(d ~t)^l+ZCx(d~z)+4*^]’^/г} ’

где    А    «    4tn,*S    +A^lCOi^lb    ;

£ ■= Col'S -+A^tiin^t8;

— коэффициент анизотропии;

Q_n — удельное электрическое сопротивление среды в направлении оси, перпендикулярной слоистости; р/— удельное электрическое сопротивление среды в направлении оси, параллельной слоистости.

В тех случаях, когда изучаемая среда наряду с рудными телами имеет и другие неоднородности, размеры и электропроводность которых известны, а также при слабой кон

трастности по проводимости вмещающих пород и рудных тел и сложной форме последних, для построения модели среды используются более сложные аналитические выражения [8] или проводится физическое моделирование [11).

Одной из моделей, часто рассматриваемой при интерпретации результатов методом заряда в подземных условиях, является вытянутый эквипотенциальный проводник в плохо проводящей среде. Такими проводниками могут быть как естественные образования — сульфидно-минерализованные жилы, рудные пласты и т. д., так и расположенные в горных выработках вытянутые металлические коммуникации — рельсы, трубы, линии заземлений и т. п. Некоторые результаты физического моделирования такой ситуации приведены на рис. 1. Моде-пи ров а ние выполнялось в баке с влажным песком. Проводники были представлены вытянутыми горизонтальными пластинами, вставленными в песок перпендикулярно поверхности на различных расстояниях от источника поля.

Как видно из рисунка, вытянутые хорошо проводящие объекты, удаленные от источника поля, принимают некоторый средний потенциал и, в зависимости от значения нормального поля, увеличивают или уменьшают потенциал близкорасположенных участков среды тем интенсивнее, чем ближе эти участки к проводнику и чем больше разница потенциалов проводника и нормального поля.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ МЕТОДОМ ЗАРЯДА В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

2.1. Горнотехнические условия

При проведении работ методом заряда в подземных выработках используются доступные для измерений горные выработки и скважины подземного бурения, пройденные под различными углами к горизонту от нисходящих вертикально вниз до горизонтальных и восстающих.

Сеть горных выработок и скважин определяется на этапе составления геологического проекта разведки участка. При этом в первую очередь учитываются требования детальности изучения рудных тел и удобства их добычи. Возможность проведения геофизических работ по подземных скважинам и горным выработкам мало используется при обосновании плотности разведочной сети. В таких условиях постановка электро-разведочных работ осложнена нерегулярностью сети наблюдений.

В частности, сокращаются возможности применения метода заряда для картирования проводящих структур как в пространстве, так и по отдельным горизонтам. Уменьшается разрешающая способность метода при увязке проводящих и, в частности, рудных интервалов между скважинами или выработками.

Ограничения, обусловленные недостаточно развитой в подземных условиях сетью наблюдений, усугубляются тем, что для проведения работ доступны не все выработки и скважины. В ослабленных, в том числе и в рудных, зонах нередко обрушение стенок скважин. Устья скважин, расположенные в подошвенных частях выработок, заиливаются или выдавливаются при перемещении буровых станков, особенно при веерном бурении. Скважины, пройденные в породах, лишенных подземных вод, особенно горизонтальные и восстающие, при отсутствии специальной аппаратуры могут оказаться недоступными для наблюдений из-за высоких сопротивлений заземлений. По требованиям безопасности проведения подземных работ нередко закрывается доступ в недостаточно проветриваемые или закрепленные выработки. Часто среди последних оказываются наиболее удобные для работ выработки, лишенные металлических коммуникаций.

При редкой непостоянной сети подземных наблюдений целесообразно проводить на месторождениях регулярные исследования и периодически переинтерпретировать результаты, что позволит изучить максимальный объем межскважинного и межвыработочного пространства, а также получить представление о геоэлектрических особенностях месторождения и его отдельных участков.

Отсутствие достаточно разветвленной сети протяженных выработок не всегда позволяет проложить токовую и измерительные линии таким образом, чтобы обеспечить одновременно отнесение в «бесконечность» удаленных электродов и отсутствие взаимоиндукции между линиями. В связи с этим в подземных условиях могут использоваться не только чисто потенциальные установки, но и схемы измерений с более короткими линиями.

Трудности с организацией заземлений, возникающие при работах в горных выработках с сухими стенками, особенно покрытыми слоем пыли, обычно преодолеваются за счет применения плоских смоченных войлочных электродов.

При организации заземлений в скважинах обеспечить контакт электрода с сухими стенками труднее из-за ограниченного диаметра скважины d_c и требований детальности из-