автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка электрометрического способа прогноза местоположения зон сосредоточенных деформаций на подрабатываемых территориях Донбасса

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ШАХНОВА Валентина Митрофановна

УДК 622.834 :550.37

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОГНОЗА МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЗОЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ДОНБАССА

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соисканиг ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Рабата выполнена в Московском ордена! Трудового Красного Знамени горнам институте на кафедре «Ф-изико-технический жонтроль .производства» и в Украинском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте горной геологии, геамеханики'и, маркшейдерского дела (УкрНИМИ).

Ведущее предприятие — Институт горного дела им.

А. А. Окочинекого.

в , с. на заседании специализированного совета К-053.12.05 в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, Ленинский щрослект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Научный руководитель докт. техн. наук, доц. ШКУРАТНИК В. Л.

Официальные оппоненты: докт. техи. наук, проф. ИОФИС М. А., «анд. техн. наук, доц. ДУДЧЕНКО О. Л.

Защита диссертации состоится « . 1992 г.

Автореферат разослан « . V. »

1992-г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, -проф. КРЮЧКОВ Г. М.

Актуальность работы. Повышение эффективности и стабильности! работы (предприятий горнодобывающей промышленности Донбасса ¡зависит от решения вопроса по расконсер- ' вации запасов 'угля под застроенными территориями, добыча. угля тод которыми, для отдельных .шахт составляет 80— 100%,

Безопасная отработка этих запасов связана с 'созданием мер защиты для населенных лунжтов, 'Крупных 'промышленных и гражданских сооружений и природных объектов. Исходными данными для определения мер защиты охраняемых сооружений и .природных объектов являются величины деформации земной .поверхности; при шодработке.

Однако разработанные (методы прогноза ожидаемых деформаций, на основе которых составлены нормативные доку-менть», регламентирующие вопросы 'строительства, на. подрабатываемых территориях и ведения горных работ шод застроенными территориями, не отвечают ¡предъявляемым требованиям по точности и надежности при наличии; в гоодрабатывае-.мом массиве разрывных тектонических нарушений. В этих случаях сосредоточенные деформации проявляются в виде образования, на дневной поверхности ступенек и уступов, величина которых в 2—10 раз .превышает допустимые значения, что крайне опасно для объектов, находящихся на подрабатываемой территории, и являются одной из причин, сдерживающих добычу угля на большой глубине и вовлечение в разработку щеликов .под застроенными территориям».

Для ¡повышения точности прогноза ожидаемых деформаций необходимы 'сведения о наличии в .подрабатываемой толще тектонических нарушений, местоположении «их выходов на поверхность, ширине воны влияния и степени геодинамичеакой активности этих нарушений. Разрывные нарушения как объект геофизических исследований обладают ¡рядом особенностей и «прежде всего широким диапазоном1 изменения электрических .характеристик горных етород в зонах проявления сосредоточенных деформаций. Это предопределило перспективность 'использования наземных электрометрических методов . .исследования.

Электрометрические методы достаточно развиты и широко используются как в разведочной геофизике, так и в эксплуатационном те «контроле. Однако способы прогноза характера деформирования дневной поверхности, основанного на данных статических электрометрических исследований подработанного массива, когда все геологические компоненты среды реако нарушены, в настоящее время отсутствуют. В связи с (этим актуальной научной задачей .является разработка, электрометрического способа прогноза (местоположения зон сосредоточенных деформаций на и од р а б а ты в а ем ы х территориях Донбасса.

Цель работы заключается в установлении взаимосвязи ¡между параметрам« индуцированного в массиве постоянного электрического ¡поля >и наличием, а. также степенью активности, тектонических разрывных нарушений для прогноза местоположения зон-сосредоточенных деформаций дневной поверхности на подрабатываемых территориях.

Идея работы состоит в использовании изменений кажущегося сопротивления и анизотропии торных пород, вызванных наличием разрывных тектонических нарушений, для выявления мест активного выхода этих нарушений на дневную поверхность. '

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

разработана геоэлектричеекая ¡модель массива при наличии в его толще геодинамически активного разрывного нарушения, отличающаяся учетам изменений величины и анизотропии кажущегося электрического сопротивления породной толщи, обусловленных ее подработкой;

установлены закономерности влияния ¡геодинаьмически ак-\ ТИВН01Г0 разрывного тектонического нарушения в 'подработанном1 массиве на электрические характеристики, торных пород, сущность которых заключается в (появлении, зон с отрицательными аномалиями кажущегося электрического сопротивления рк, уровень которых не (менее чем в 2 раза ниже фоновых значений, а также в увеличении степени анизотропии рк в этих зонах не менее чем в 1,5 .раза, при (мощности рыхлых отложений т<25 м. и пологом залегании.пород (А<20°);

установлено, что степень активности разрывного нарушения можно прогнозировать по величине прогнозного параметра К, равного отношению коэффициента анизотропии кажущегося электрического сопротивления в аномальной зоне (Яа) к фоновому ¡значению (Яф ) в теоэлектричесшм слое, при ©том для геодинамически активных разрывных нарушений /('>1,5;

разработан способ прогноза местоположения зон сосредоточенных деформаций дневной ¡поверхности для подработки

массива, отличающийся (использованием в качестве информативных таких параметров, как р*, к к К в (высокоомном гео-алектрическом слое, анизотропные свойства которого вне зоны влияния разрывного нарушения наиболее выдержаны.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются: ,

удовлетворительной сходимостью рассчитанных для принятой геоэлектричесжой .модели (подрабатываемого массива « получении« экспериментально кривых вертикального электрического зондирования (погрешность не превышает 17% три надежности 95%);

сходимостью результатов электрометрического прогноза местоположения зон сосредоточенных деформаций до ¡подработки ¡массива! с фактическим местоположением зон, зафиксированных путем режимных геомаркшейдерских наблюдений в ¡процессе подвигания очистного забоя. (Надежность (прогноза местоположения зон с погрешностью, не превышающей 5—20 м, составила 90%);

промышленной апробацией предлагаемых рекомендаций по определению местоположения зон сосредоточенных деформаций и достигнутой технико-экономической эффективностью.

Методы исследований. Для достижения (поставленной цели. использованы следующие методы исследований:

теоретические исследования, направленные на разработку геоэлектрической модели ^отработанного .массива;

экспериментальные электрометрические и режимные гео-¡механичеокие исследования ¡подрабатываемого массива, и сопоставительный анализ данных электрометрического ¡прогноза. местоположения зон сосредоточенных деформации с их фактическим местоположением, зафиксированным по данным геомаркшейдерсших наблюдений.

Значение работы.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния геодинамическ» -активных разрывных нарушений в подработанном массиве .на электрические характеристики горных пород. .Практическое значение работы заключается в разработке электрометрического способа прогноза местоположения зон проявления сосредоточенных деформаций дневной поверхности на подрабатываемых территориях, (позволяющего получить надежную информацию, необходимую для (принятия решения ¡при выборе оптимальных мер защиты зданий и сооружений при их подрабопке « сокращения раамеров целиков, оставляемых в угольных пластах. Основные ¡положения диссертации вошли в «Комплексную .методику .прогнозирования .выходов тектонических нарушений на подрабатываемых территориях Донбасса».

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика (позволяет повысить точность и надежность прогнозирования ожидаемых деформаций дневной поверхности для обоснования оптимальных требований к (мерам защиты зданий « сооружений, расположенных на подрабатываемых территориях. Указанная «Методика...» внедрена в УкрНИМИ и опробована более ¡чем на 20 .подрабатывае-¡мых участках Донецко-Макеевского района. Расчетный экономический ¡эффект от внедрения' гоо одному из участков составил 46400 руб. при долевом участии автора 70%.

Апробация работы. Основные ¡положения диссертационной работы и результаты 'исследований докладывались на IX Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании «Геофизи-феские методы в гидрогеологии, инженерной геологии й шахтной геологии» (Донецк, 1987 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Проблемы строительства объекте в,угольной пр01мышленности на подрабатываемые территориях» (Донецк, 1989 г.), на X Всесоюзном научно-техническом семинаре «Использование новых ¡геофизических ¡методов для решения инженерно-теологических и гидрогеологических задач» (Москва, 1989 г.), на Всесоюзной конференции (г. Звенигород) «Геолото-геофвзические ‘исследования ¡при решении экологических задач (Москва, 1991 г.), на Всесоюзном семинаре «Использование геофизических ¡методов для решения геоэкологических, инженерно-теологических й гидрогеологических задач» (Ташкент, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четырнадцать печатные работ, в том числе один патент на «изобретение. ■

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 160 страниц; состоит из введения, 4 глав, заключения и списка; попользованных ‘источников >114 наименований. Основное содержание изложено на 130 страницах ¡машинописного текста,, работа включает 5 таблиц, 25 рисунков. '

Автор выражает глубокую (Признательность руководителю диссертационной работы, доц., докт. техн. наук ¡В. Л. Шкура.т-нику, ® научному руководителю НИР в УкрНИМИ проф., дакт. геол.-минер, наук Н. Я. Азарову, внимание, советы и ¡консультации которых во ¡многом ¡предопределял« 'направления исследований и способствовали1 написанию диссертации, а также благодарит ¡коллектив тематической опытно-методической партии УкрНИМИ за оказанную помощь, деловые замечания и предложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Интенсивное развитие очистных работ под застроенными территориями значительно ¡повысило требования к мерам защиты зданий « сооружений, расположенных на подрабатыва-

емых территориях. Точность и надежность прогноза характера деформирования дневной поверхности зависят от достоверной информации о наличии в подрабатываемой толще геоди-намичеаки активных разрывных нарушений. Изучению состояния подрабатываемых породных ¡массивов « характера развития деформационных лроцессов в зонах влияния тектонических нарушений лосвящены работы* известных ученых:

Н. Я. Азарова, Е. С. Ватолина, М. С. Газизова, В. Л. Замисе-ва1, М. П. Зборщика, М. А. Иоф.иса>, И. В. Коваленко, С. А. Ме-дянцева, И. Ф. Озерова, И. М. Петухова, В. В. Ржевского, Л. П. Чепенко, ¡В. С. Ямщикова.

Применению геофизических методов картирования выходов тектонических разрывных нарушений посвящены 'работы

В. .К. Хмелевокого, А. А. Огильви, Н. Е. Фоменко, Б. И. Жур-бицкого, Э. Г. Порфилкина, Б. А. Закревского, Б. И. Рябо-штана.

В дальнейшем разрывные нарушения, в зоне влияния которых наблюдались сосредоточенные деформации, ¡будем называть геодинамически активными разрывными нарушениями. Результаты экспериментальных работ и теоретических исследований ¡позволил» сделать 'ВЫВОД-о возможности и необходи-;мости изучения влияния геодинамически активных разрывных нарушений на ¡параметры электрического лоля с целью прогнозирования местоположения зон сосредоточенных деформаций дневной поверхности на. подрабатываемых территориях до ведения очистньис работ.

Вследствие этого в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Построение геоэлектрической модели массива при наличии в его толще геодинамически активного разрывного нарушения, с учетом изменения 'величины и анизотропии кажуще-тося электрического сопротивления породной толщи, обусловленных ее подработкой.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование информативных параметров электрического толя и изучение характера их изменения в зоне влияния (геодина'мячеаки активных разрывных нарушений по отношению ж фоновым значениям.

3. Изучение влияния геодинашпчески активных разрывных нарушений на параметры электрического поля горных пород, слагающих подработанный массив.

4. Исследование влияния анизотропии кажущегося сопротивления на степень геодинамичебкаго проявления разрывных нарушений в процессе их подработки.

5. Разработка методических‘вопросов: требований ж выбору типа измерительной электрометрической установки, определения ее оптимальных размеров, оценки глубинности, разрешающей способности, точности и достоверности съемки.

Для исследования характера электрического поля в многослойной анизотропной среде разработана геоэлектринеакая модель подработанного массива, содержащего в своей толще геодинамимески активное разрывное нарушение, размеры, 'которого соизмеримы с размерами ¡подрабатываемого участка, •что предает ему строение со слабыми связями между жесткими и прочными блоками. Эти разрывные нарушения ¡вносят существенное изменение в шоле начальных напряжений ¡массива при его подработке ¡и являются поверхностями, по которым может (происходить скольжение одной ¡части деформируемого ¡массива; относительно другой. Под геодинамической активностью, 'В этом случае, ,понимают возможность подвижки по плоскости оместитедя в «процессе подработки массива! горных пород. Применительно к условиям Донецкого бассейна выделены два основных типа! разрывных нарушений по характеру их влияния на параметры процесса сдвижения:

1) тектонические нарушения с углами падения сместате-ля 45° три углах падения пластов до 35°;

2) тектонические нарушения с углами падения смести,теля более '50° ¡при углах падения пластов .меньше 35°.

Разработке теоэлектричесжой модели деформированного массива при наличии в его 'толще геодинамически, активного разрывного нарушения предшествовал предварительный анализ физико-геологических, гидрогеологических и структурных особенностей пород, слагающих тектоническую зону на основе последних представлений о ¡физических процесса«, протекающих -в массиве при его подработке. '

Известно, ¡что носителям» проводимости являются водные растворы, обволакивающие зерна скелета породы или заполняющие трещины и поры.

Под действием ¡концентрации напряжений в зонах разрывных нарушений в подавляющем большинстве случаев минерализованная влага, содержащаяся в ¡породе, может оказаться запертой в изолированных объемах ¡пор, когда1 они переходят от сквозных к замкнутым, вследствие чего ¡происходит увеличение давления ¡поровой жидкости (порового давления). Увеличение норового давления понижает электрическое сопротивление, разуплотняет ¡минералогическую укладку и, согласно ¡концепции эффективных напряжений, понижает критическое напряжение • разрушения. Нарушения ¡с залеченной системой трещин, как п'равшю, не находят столь яркого выражения в электрических полях как ¡геодинамически активные нарушения.

Постоянно меняющееся техногенное воздействие на среду приводит к тому, что разрывные нарушения оказываются в ¡поле высоких растягивающих или; сжимающих напряжений, имеющих дискретный характер распределения, ¡что приводит к отдалению ('растяжению) или-сближению (сжатию) бере-

го в трещин, в результате чего (происходит общее разуплотнение пород, слагающих нарушенную ¡зону. 'При этом увеличивается трещинная пористость и как следствие растет коэффициент фильтрации, 'ослабляются силы сцепления .породны« ■блоков на ллоскостш смещения разрывного нарушения за счет раскрытия трещин и повышения степени обводненности, что приводит ж уменьшению коэффициента трения на сдвиг и создает благоприятные условия для геодинамическото проявления нарушения в виде подвижек и уступов дневной поверхности (при его подработке.

Раствор, заполняющий шоры- и трещины, оказывает существенное влияние на характер деформирования' подрабатываемого массива, и, 'степень его геодшшмичеакого проявления, при этом:

а) жидкость уменьшает внутреннюю силу трения, тем самым снижая сопротивление на сдвиг по обводненной плоскости^

б) давление жидкости в случае обводненных пор и соединенных трещин оказывает расклинивающее действие на их стенки, что при сдвижении горного ¡массива приводит к деформациям расширения. Так, при ширине щели, равной двум молекулярным диаметрам, расклинивающее давление воды достигает 2300 .кгс/см2, .при этом уменьшается сопротивление на разрыв.

Влияние тектонических напряжений, процесса сдвижения, эффекта1 воздействия выветривания » водонасыщения приводит к 'существенному снижению кажущегося электрического сопротивления 'В зоне влияния теодинамически активных разрывных нарушений, значения которых не ¡менее чем в 2 раза ниже фоновых. Трещиноватость горных пород в зоне наруше-. ния формирует их анизотропию. Совместное деформирование пород с различными показателями анизотропных свойств определяет механизм, динамику и характер проявления процесса деформирования дневной поверхности. При этом коэффициент анизотропии

X- }/(! -/,/50)/(1 + /2/5оТ~УЛ/Л,

где /), ¡2 — густота трещин по вертикали и лотерали соответственно? ’

5о — фактическая площадь контакта, выраженная в номинальной площади. .

Таким образом, представив подработанный ¡массив в виде слоистой модели., где геологические слои, слагающие разрез, сгруппированы по степени их нарушенности под воздействием техногенных и эндогенных .процессов, геоэлектрическая .мо-

¡дсль имеет следующий вид. ¡По вертикали от земной товерх-ности в глубь массива она условно разделена на три горизонтальные зоны; зону выветрелых нарушенных «пород (зона I) ¡мощностью до 50 м и кажущимся электрическим сопротивлением (р1«^20 Ом-м), зону ¡плавного прогиба (зона II), которая залегает ниже зоны выветрелых пород и значительно выше зоны интенсивной техногенной трещиноватости (зона III), расположенной в непосредственной близости к горным работам. Таким образом, в зоне II в наибольшей степени сохранены компоненты ненарушенной .геологической среды. Рассматривая 'состояние геологических слоев, слагающих П зону, нужно отметить, что степень «х деформирования в результате ведения горных работ зависит от прочностных свойств пород, слагающих зону II, и их мощностей. При этом согласно концепции Кноринга о ¡густоте трещин как мере величины напряжений менее прочные ¡слои, в (процессе ¡плавного ¡прогиба, приобретают большую густоту техногенных трещин, гаем прочные, а с увеличением мощности слоя ¡происходит уменьшение густоты ¡всех систем трещин (приближенно ¡по параболе Г-аМв, где Г — густота трещин; М — мощность слоя; айв — const.

Таким образом, мощные геологические слою, обладающие наивысшими ¡прочностным» характеристиками для данного литорого-генетического комплекса, расположенные в ¡зоне II, в наибольшей степени, сохраняют компоненты ненарушенной геологической среды. 'В дальнейшем такие слои будем называть гео'электрическими горизонтами. -

Для денбасса таковыми являются песчаники/ мощностью 20—50 .м, залегающие в зоне II, кажущееся электрическое сопротивление которых 50—150 Ом-.м на фоне относительно низких сопротивлений вмещающих пород 20—40 Om-im.

Для Донбасса, таковыми являются ¡песчаники мощностью нарушения используем подход; Дж. iK. Максвелла, который рассматривал . среду, состоящую из непроводящих зерен (микробложов) и ¡проводящего пространства, ¡между ними. Задавшись такой ¡моделью разрывного нарушения, можно вычислить относительное сопротивление, зависящее от объема и структуры спорового ¡пространства Р, воспользовавшись формулой Арчи 1

Р — Рпв/Рв<

тде рпз —. сопротивление водонасыщенной породы:; рв'—. сопротивление норовой ¡воды. ■

Относительное сопротивление Р связано с пористостью следующим соотношением:

. Р = а/пт, '

где а — структурный коэффициент (¡0,5<а> I); т —.показатель цементации (1,3<т>2,3),

Таким образом, Р = / (л), т. е. относительное сопротивление рассматривается как функция пористости я.

Если на ¡поверхности такой ¿труктуры расположить точечный источник тока; и поместить его в начале ¡прямоугольной системы координат, у которой ось г натравлена ¡перпендикулярно поверхности (вертикально), а оси X и У соответственно ориентированы по простиранию к вкрест ¡простирания структуры, то распределение ¡потенциала на> ее ¡поверхности, будет определяться следующим соотношением: ■

U

Í..V у Tfy' Т

где U, I — напряжение и сила тока.;

Рх• Ру> ?г — сопротивление по X, У, Z.

Если обозначить через р ¡угол расположения электрометрической установки, ото отношению ¡к изучаемой структуре, ¡угол падения которой обозначим через а, то да (1) получим

РхРуРг

РК ,-иг..гг- nrr-inir-iir.. . I 1_ - -J in- г; ^ • и- пт; я ^

У рх cos2a + ру cos3 & sin (S -f- рг sin* a sin2 P

Таким образом, величина кажущегося сопротивления рК) измеренная па ¡поверхности анизотропного' массива, существенно зависит от ориентации измерительной установки.

Принимая во внимание, ¡что ¡параметры ¡проводимости скелета — Я; поверхностной проводимости — П„ ; .пористости— Р, вадонасыщения— Р„, удельного электрического сопротивления водного раствора постоянны во всех направлениях, ;и обозначив ¡параметр пористости в направлении трещиноватости через РПх,а перпендикулярно — через Рпу, можно записать ,

Рлг ПиПпРахР нРо»

Ру — ЯМЯПРП у Рярв,

где рх и ру — удельное электрическое сопротивление вдоль трещиноватости и перпендикулярно .к ней соответственно.

Отсюда коэффициент анизотропии .электрического сопротивления ■

^= Vpjfy = V РпхРпу Коэффициент анизотропии электрического ¡поля в первом приближении ¡можно представить соотношением

X = Хв • ХП- ХВТ)

где /.о —:м и кр о а н из о тр опия напластований;.

Яп — макроанизотропия, вызванная геологическими особенностями первге ч н оод нор ад но й среды (¡первичная анизотропия);!

I VP.vPyPz 0^1 /7 УЗ "l » V2 I „ 71 ’

О)

Хвт —¡макроанизотропия, вызванная процессами -выветривания и 'сдвижения при (подработках массива! (вто-_ ричная анизотропия);

К— полная анизотропия.

В общем случае Ко и Яп смогут отличаться от единицы. Однако на локальных участках их .можно принять (постоянными, или фоновыми (региональная -составляющая). По отношению к ним Я является уже локальной составляющей и определяется направленностью и, степенью раскрытия трещин разрывного тектонического нарушения под действием «едения горных работ. Степень раскрытия, в свою очередь, определяет опасные деформации за счет сближения или отдаления берегов трещин ¡при тоследующем ведении горных работ в зонах влияния этих тектоничеаких нарушений.

Таким образом, по степени изменения фоновых знамений кажущегося электрического сопротивления и анизотропии ге-оэлектрического слоя в зонах влияния разрывного тектонических нарушений можно судить о наличии в подрабатываемом массиве разрывного нарушения т о степени его геодинамкче-ской активности.

Изучение влияния геодинамичеоки активных разрывных нарушенй на такие электрические характеристики, как кажущееся электрическое сопротивление рк и анизотропия ¡по сопротивлению К в натурных условиях деформированного массива, осуществлялось посредством крестовых параметрических зондирований на скважинах, расположенных вне зоны влияния нарушения и секущих зону нарушенных пород.

В таблице представлены характерные данные кажущегося электрического сопротивления рк и коэффициента анизотропии К в зоне влияния тектонических разрывных нарушений и вне ее.

Породы, слагающие массив Алевро- лигЪг Аргил- литы Песча- тики Извест- няки Покровные отложения

**’0* г< Вне ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ разрывного нарушения 1,5-2,5 1,2—2,0 1,2—1,5 *1,5—2,0 1,2-2,0

еЧ г< В зоне влияния 1,0-2,7 1,5-2,4 2,5-5 - 2,0-3 1,4—2,1

•е* Си Вне зоны влияния 20-50 20-50 50-150 40-200 20—40

я * о. В зоне влияния 10—20 10—15 25-50 20-80 10—20

Из таблицы видно, что песчаники и известняки характеризуются наибольшими значениями кажущегося сопротивления (рю = 40—200 Ом-м) на относительно низкоомном фоне осадочной толщи (.рк = 20—50 Ом-м), при значениях коэффициента анизотропии; вне зоны влияния разрывного нарушения 1,2—2. (При этом песчаник» и известняки обладают наивысшими прочностными характеристиками для данного литол>ого-генетического комплекса. При наличии в зоне II таких слоев, мощность которых 20—50 м и 'более, геологические компоненты, характерные для этих сред, близки ас природным, поэтому (преобладает первичная анизотропия, вызванная геологическими особенностям» первично-однородной среды и ¡полная анизотропия к~Х0-кл, Ап—¡мдакроа»изотропия напластований постоянна на участке предполагаемой мульды сдвижения. Поэтому анизотропные свойства в зоне II выдержаны по всему ¡геоэлекгрическому слою (1,2—1,3) и изменяются только (В зоне влияния разрывного нарушения до 1,8—2. ß зонах I и Ш полная анизотропия /. ¡крайне не выдержана.;(1,2— 1,8) и щызвана'вторичной анизотропией квт (рис. 1).

Таким образом, изучение изменения анизотропных свойств в зоне нарушения по отношению ас фоновым значениям коэффициента анизотропии необходимо* проводить в плотных, мощных слоях, слагающих II зону подработанного массива.

Исследования -проводятся следующим, образом. До подработки толщи (пород, исходя из горно-геологических условий, вкрест простирания нарушения разбиваются линейные профили. Расстояние между дарофш-ями выбирается таким образом, чтобы исследовать разрывное нарушение на- характерных участках .предполагаемой мульды сдвижения и на участке наибольшей кривизны. Глубинность 'исследования оценивается исходя из соотношения расстояния h до опорного гео-электричеакого горизонта массива и геометрических пара(мет-ров измерительной установки L. При этом выполняется соотношение h/L<0,45. На ¡первом этале исследований проводятся электрометрические исследования методом вертикальных 'электрических зондирований (ВЭЗ) с целью изучения гео-электрического вертикального разреза. ® прослеживания зоны нарушенных (пород, при этом значения кажущегося сопротивления в этих зона>х в 2—3 раза ниже фоновых характеристик, т. е. рф /рк »2.

Изучение анизотропных 'СВОЙСТВ 'осуществлялось 'следующим образом. Hai профилях наблюдения выбирают положение базовых Бт и текущих Тт точек. Базовые точки Бг располагались по обе стороны от ¡установленного на геоэлектрическом разрезе выхода тектонического нарушения на расстоянии, равном не менее трехкратной ¡ширины зоны его влияния, рис. 2, а. Расстояние между базовыми точками зависит от ro-

ризонтального- градиента толя. 'Как показали исследования, изменение поля кажущегося 'сопротивления в ¡базовых точках незначительно, поэто-му шаг разряжался до 50 м, но с обязательной -постановкой в характерных точках мульды .сдвижения.

Текущие точки. Тт исследования располагались в зоне вл.и-яния тектонического нарушения. Параметры ¡поля в этих точках характеризуются значительным его изменением, поэтому шаг съемки сгущается до 5—¡10 м. (В точках наблюдения располагается (Центр круговой электрометрической установки, см. рис. 2, а. .

.■Величина текущей анизотропии кажущегося сопротивления определяется ¡по ¡формуле

К—Ур^/р^К

оде рк-—кажущееся электрическое -сопротивление по нормали к ¡плоскости смести.теля; р*11 — 'кажущееся ¡электрическое сопротивление вдоль той же плоскости.

Разносы осуществляются вдоль и -вкрест -простирали-я неоднородностей. По результатам исследования строят графики изменения анизотропии поля ¡по вертикали в зоне .влияния нарушения и ’вне этой зоны, проводится сопоставительный анализ, на основании которого выделяют опорный геоэлектрвче-окий горизонт, характеризующийся стабильностью анизотропных свойств -в ¡базовых точках и существенным изменением в текущих. ¡По данным коэффициента анизотропии, полученным на 'базовых точках, определяют фоновые значения анизотропии шоля для данного геоэлектрического горизонта. 'В текущих точках выявляют значения аномального ¡проявления анизотропии поля. Имея сведения о фоновых ¡значениях анизотропии Лф и аномальных /. а, рассчитывается прогнозный электрометрический ¡показатель активности тектонического нарушения К, равный соотношению Аа/^ф. По параметру К выделяются три градации-массива, рис. 2,6:

1) К< 1 — вероятность активизации нарушения в процессе (подработай крайне низка;

2) 1<К< 1,5 —при соответствующих ¡горнотехнических условиях в ¡исследуемой зоне могут возникнуть незначительные 'сосредоточенные деформации;

3) /(>1,5—зона активного тектонического проявления.

Пример сопоставительного анализа по одному из участков

'исследования (ш. 13-бис) представлен на рис. 3, где ¡приведены результаты электрометрического- прогноза: ¡местоположения зоны сосредоточенных деформаций с фактическим ее ¡местоположением. При оценке достоверности. И ТОЧНОСТИ! влект-рометрического ¡прогноза, ¡полученной на основании сопоставительного анализа большой выборки натурных 'исследований, установлено:

1) в 90% случаев зоны сосредоточенных деформаций находились в пределах электрометрических аномалий;

2) отклонение электрометрических аномальных зон от

мест проявления сосредоточенных деформаций не 'превышает 5—20 м, а в 45% случаев отмечается полное совладение прогнозного местоположения активного выхода, разрывного нарушения с (фактическим его 'проявлением. При -этом необходимо отметить, 'что отклонения, как травило, смещены в сторону лежачего бока сместителя; '

. 3) при оценке ширины зоны на ¡всех исследуемых участках

получено, что па сбросовой (мелкоамплитудной тектонике при мощности рыхлых отложений не 'более 25 м, ширина -зоны но данным электрометрических исследований составляет в среднем 90% при фактической протяженности 80—120 м. На над-виговой тектонике (ширина зоны по данным электрометрических исследований составляет в среднем 45—200 <м, яри фактической ¡протяженности 60—180 м соответственно. В 45% случаев ширина'зоны »поданным электрометрических исследований ¡полностью'совпала с фактической (протяженностью.

Таким образом, применение способа, ¡прогноза, основанного на данных электрометрических исследований, ¡позволяет определить местоположение -зоны возникновения сосредоточенных деформаций до проведения горных работ в условиях горизонтального или полотого залегания пород при .мощности рыхлых отложений иге 25 <м с достоверностью 90% я точностью ±5-—20 м. При этом экономятся средства' на проведение ¡бурения, необходимого для определения зон повышенной трещиноватости в пределах участков исследования и в то же время обеспечивается получение необходимой информации. Блок-схема электрометрического (Прогноза (Представлена на рис. 4.

Основные результаты диссертации, использованы в «Комплексной методике .прогнозирования выходов тектонических нарушений на ¡подрабатываемых территориях Донбасса», которая 'внедрена в УкрНИМИ на- даспери'ментадънсш участке (60 лег Советской Украины). Расчетный экономический, эффект составил 46400 руб. при 70%-ном долевом участии автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуаль-• ной задачи прогнозирования местоположения зон сосредоточенных деформаций на основании данных электрометрических исследований на подрабатываемых территориях Донбасса, что обеспечивает обоснованность принимаемых решений по отработке угольных целиков на застроенных территориях и

выбору оптимальных'Мер защиты строящихся зданий на подрабатываемых территориях. По результатам работы сделаны следующие выводы:

1. При прогнозе характера- сдвижений и деформаций в условиях нарушенного залегания пород необходимо знать не только положение 'выхода разрывного нарушения, но и детальное структурное строение всего участка исследования, прилегающего к нарушенной зоне.

2. Существующие структурно-теологкчеакие жарты не обеспечивают необходимой точности ¡прогноза характера: деформирования дневной ¡поверхности.

3. Техногенное воздействие ¡на геологическую среду приводит ж тому, что разрывные- тектонические нарушения ожа-зыв'аются в поле высоких растягивающих или сжимающих нашря-женщй, 'что (приводит >к общему разуплотнению пород, слагающих нарушенную зону, увеличению трещинной пористости, росту (коэффициента- фильтрации и- уменьшению коэффициента. трения на сдвиг. При этом в два раза и более уменьшается величина кажущегося электрического сопротивления рк и не менее чем в 1,6 раза увеличивается коэффициент анизотропии. На выходах таких разрывных нарушений возникают сосредоточенные деформации в виде подвижек и уступов дневной .поверхности при- их подработке.

4. Прогнозирование местоположения зон сосредоточенных деформаций, основанное на- измерениях электрических характеристик пород, слагающих массив как шо 'горизонтали, так и- то- вертикали, обесточивает 90%-ную надежность прогноза -с погрешностью, не (превышающей -5—20 м.

5. В условиях 'высоких электромеханических помех целесообразно использовать 'величину приемных диполей МД/ = = 1—3 м. Расстояние Ь между питающими электродами зависит от расстояния до опорного геоэлектр-ическ-ото ¡горизонта /г, при этом должно выполняться следующее соотношение /г/!« <0,-45.

•6. Установлено ¡существенное различие анизотропии кажущегося электрического сопротивления в геоэлектрическом ■слое в зоне нарушения /.а и вне зоны /.ф , ¡при этом, зоны проявления сосредоточенных деформаций характеризуются следующим -соотношением: ЯаДф>! 1,5. Геоэлоктрический слой расположен в зоне главного прогиба щ занимает промежуточное положение между зоной выветрелых пород и. зоной развития интенсивной техногенной трещиноватости, обусловленной наличием старых горных ра.бот, обладает наибольшими прочностными свойствам® для данного литолого-генетического комплекса, выдержанной мощностью ш высоким значением кажущегося сопротивления на относительно низкоомнам ¡фоне вмещающих шород.

7. Точность определения ширины зоны сосредоточенных деформаций по данным электрометрических исследований зависит от типа 'разрывного нарушения, его амплитуды, угла падения, мощности рыхлых -отложений, ¡глубины старых горных работ и кратности подработай и колеблется от 5 до 40 м.

8. Установлено, что наличие подземных коммуникаций существенным образом искажают правую ветвь ¡кривой зондирования, изменяя значения кажущегося сопротивления рк приповерхностного слоя на порядок. Для ослабления их влияния на ^параметры электрического поля целесообразно использовать принцип «нормирования» значений рк три обработке электрометрических данных.

9. Результаты проведенных исследований использованы в «¿Комплексной методике 'прогнозирования выходов тектонических нарушений на подрабатываемых территориях Донбасса», которая внедрена в УкрНИМИ. Электрометрический прогноз (местоположения зон сосредоточенных деформаций на шахтных полях Донецко-Макеевекого района- подтвержден результатами режимных маркшейдерских наблюдений. Расчетный экономический эффект по одному из участков исследования (60 лет Советской Украины') составил 46400 руб. при 70%-нам долевом участии, автора.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Киселев Н. Нм Шахнова В. М. Возможности и эффективность геофизических методов для изучения процесса -сдвижения горных 1Порад//Матеркалы IX Всесоюзного научно-технического семинара-совещания «Геофизические методы, в гидрогеологии, инженерной геологии и шахтной геологии». Донецк, 1987, с. 81.

2. Киселев Н. Н., Шахнова В. М. ¡Применение геофизических методов для прогноза сосредоточенных деформаций на выходах тектонических нарушений под покровные отложе-ния//Тезиеы докладов X -Всесоюзного научно-технического се-м'инара «Использование новых геофизических методов для решения -инженерно-геологических и лвдрогеологически’Х задач». М., 1989, с. 165-167.

3. Шахнова В. М. Физико-геологические основы электрометрического ярогноза геодинам'нчесжого проявления структурных неоднородностей в подрабатываемом 1ма>ссиве//Тезисы докладов Всесоюзной конференции (г. Звенигород) «Геолого-геафизические 'исследования при решении экологических задач». М.,-1991, с. 28—90.

4. Шахнова В. М., Панова Е. А. Геологические факторы, определяющие процесс сдвижения на подрабатываемых тер-

риториях»//Тезйсы докл адов Всесоюзной конференции (г. Звенигород) «Геолого-геофизичешие исследования ¡при решении экологических задач». М., 1991, с. 30—31.

■ 5. Киселев Н. Н., Шахнова В. М. Способ текущего контро-

ля характера деформации дневной поверхности в результате • подработки (городских атло:мераций//Тезнсы докладов .Всесоюзной конференции (г. Звенигород) «Геолого-геофизичесясие исследования при решении экологических задач». М., 1991, с. 65—66.

6. Чепенко Л. П., Шахнова В. М. Геофизически ¡маркшей-

дерский способ контроля напряженно-деформированного состояния (поверхностного слоя «горного !массива//Тезисы докладов Всесоюзной конференции- (1Г. Звенигород) «Геолого-гео-физические исследования при решении экологических задач». М., 1991, с. 90—92. -

7. Азаров Н. Я., Шахнова В. М., Киселев Н. Н., Шкурат-ник В. Л. Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Патент по заявке № 4778891/. 25 в 01 3/00. Положительное решение экспертизы от

11.10.1991 г.,

8. Азаров Н. Я., Чепенко Л, П., Шахнова В. М. Способ прогноза (проявления сосредоточенных деформаций в зонах влияния тектонических нарушений с использованием геофизических м е то до в //М а те ри а л ы Всесоюзного семинара «Использование геофизических методов для решения геоэкологических, инже-нерно-геологичесжих и гидрогеологических задач». Ташкент, 1991, с. 38-42.

9. Киселев Н. Н., Шахнова В, М., Шаманаева Е. А. Опыт применения ¡геофизических исследований в условиях городских а,гло1мераш,ий//Материалы Всесоюзного семинара «Использование ¡геофизических методов для (решения экологических, инженерно-геологических и (гидрогеологических задач». Ташкент, 1991, с. 59—62.

10. Озеров И. Ф., Киселев Н, Н., Чепенко Л. П., Шахнова В. М. Основные особенности методики ¡комплексирова.ния электрометрических и маркшейдерских съемок при изучении процесса сдвижения на ладрабатываемых территориях//Ма-териалы Всесоюзного семинара «Использование геофизических (методов для решения экологических, инженерно-геологических (и гидрогеологических задач». Ташкент, 1991, с. 68—72.

11. Григорьев Н. Я., Любич Т. А., Майборода А. А., Шахнова В. М. Применение геолого-геофизических методов при решении задач лрагнозиро'вания (последствий (подработки// Материалы Всесоюзного семшнара «Использование ¡геофизических и 'Гидрогеологических задач». Ташкент, 1991, с. 78—81.

12. Майборода А. А., Шахнова В. М., Панова Е. А. Геологические (признаки разрывных нарушений, определяющие воз-

ншшовение сосредоточенных деформаций на подрабатывае-1мых территорн'ях//Тезисы докладов на Всесоюзном научнотехническом семинаре «Проблемы строительства объектов угольной ¡промышленности на подрабатываемых территориях». Донецк, 1989, с. 27—28.

13. Киселев Н. Н., Николаев Ю. И., Шахнова В. М. Повышение точности 'прогноза ¡параметров сдвижения горных пород геофизическими методам» на* подрабатываемых террито-риях//Тезисы докладов на Всесоюзном научно-техническом семинаре -«Проблемы! строительства объектов угольной промышленности: на подраб'атываемых территориях». Донецк, 1989, с. 30—31.

, 14. Киселев Н. Н., Шахнова В. М. Связь электрического сопротивления горных .пород с процессами сдвижения на подрабатываемых территория х//Теви.сы докладов на Всесоюзном научно-техническом семинаре «'Проблемы строительства объектов угольной промышленности на ^обрабатываемых территориях». Донец«, 1989, <с. 41.

Подписало в печать 17.04.1692 г. Формат 60x90/16

Обгем 1 печ. л.+4 вкл. Тираж 100 экз. Заказ 909

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6