Адаптация георадиолокационной технологии для решения горно-технологических задач при разработке месторождений криолитозоны

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

© Ю. А Ним, А. В. Омельяненко, 2012
УДК 622. 271
Ю. А. Ним, А.В. Омельяненко
АДАПТАЦИЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ
РЕШЕНИЯ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДА Ч
ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
Рассмотрена теория и экспериментальное подтверждение возможности изучения строений и криогенного состояния горных пород высокочастотным импульсным электромагнитным полем.
Ключевые слова: георадиолокация, горная порода, импульс Хэвисайда.
Многолетний опты геофизических работ в области криоли-тозоны показал, что в условиях распространения многолетнемерзлых пород для детальных малоглубинных исследований эффективны дистанционные методы высокочастотной электроразведки, из которых перспективным представляется метод георадиолокации.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможностей изучения детального строения и криогенного состояния пород импульсными электромагнитными полями высокой частоты, рассматриваемые автором, направлены на повышение информативности дистанционных исследований горного массива с поверхности и из горных выработок.
Комплексная оценка базовых данных по электрофизическим свойствам горных пород позволяет рассчитывать на эффективность применения метода георадиолокации в исследовании верхней части разреза наиболее высокоомных пород криолитозоны. Зависимости электрофизических свойств мерзлых горных пород от температуры, давления, частоты, литологического состава, льдисто-сти, минерализации показывают, что слабопоглощающие и немагнитные мерзлые четвертичные отложения наи-
более приемлемы для изучения в неустановившихся электромагнитных полях высокой частоты.
В георадиолокации применяются два типа возбуждения неустановившегося поля: посредством однополярных (8) импульсов, которые описываются функцией Дирака, излучаются линейно-поляризованные плоские электромагнитные (ТЕМ) волны- импульсами включения и выключения электрического тока (х — импульсы Хэвисайда), возбуждается тороидальное электромагнитное поле эллиптической поляризации. При возбуждении магнитного диполя токовым импульсом Хэвисайда дополнительно излучается вертикальная составляющая электромагнитного поля Н2 и генерируется наибольшее количество гармоник, спектральные составляющие которых вычисляются в соответствии с выражением:
^ ^ С) = P0 ?1 ^
г i-(1) e_
-I сс
d с,
где Р0= Igdl = const — момент тока, ш — круговая частота.
Вертикальная компонента Hz нестационарного поля, возбуждаемого импульсом Хэвисайда посредством излучения магнитной антенны расположенной на поверхности однородной среды с
проводимостью ст, электрическом и магнитной проницаемостью е и ц, определяется выражением:
и*™ Р08л3л/2Л у
цст
-2л21 --
где х = 2 л / л/цст7& quot-27 — г — расстояние от диполя до точки наблюдения.
В случае гармонических колебаний параметр х является аналогом длины электромагнитной волны А. Характер ослабления поля на расстояниях г& gt-х определяется главным образом экспонен-той.
Компонента поля Еф представляется в виде суммы составляющих
Е (!) = ЦР
ф 4лг2
[(1 + Пхо)8((-хо) +
+х08'-(/ - х0)] е_лТо sin 9, при 1=х0,
Е (2) = цР л2х е-Еф = 4лГ2 ^ о
при t& gt-х0 ,
Е = Е (1) + Е (2).
ф ф ф
где ^ = & quot-2е — х 0 = - 12 — модифицированная функция Бесселя второго порядка.
В случае проводящей среды, когда токи проводимости преобладают над то-

(2 -х2
зп 9,
ками смещения
1 -& gt->- 1, опреде-
2 е
ляющим становится квазистационарное поле Еф2), ЭДС которого, находится из выражения:
е (2) =
ф
1 т л
Т2Л п
(-У2 е
В случае слабоэлектропроводящей среды (Еф2) ^ 0), поле определяется
функцией Еф1), при этом ЭДС, наводимая в горизонтальном витке расположенном на оси магнитного диполя, связана с электрическим полем соотношением еф1) = 2л • Г • Еф1) и, учитывая токи смещения находится из выражения:
еф1) = (1 + т) е -т ,
ст г [ЦТ
здесь т=лхо= ^ ,
Очевидно, что с возрастанием электропроводности и расстояния от источника, поле Еф1) экспоненциально убывает и, как показывает анализ, в высоко-омных средах формируется поле эллиптической поляризации, представляющее сумму составляющих Еф1) = Ех + Еу, и Н2.
Суммарное поле, в момент прихода электромагнитной волны в точку наблюдения, определяется:
ЦР
рР 1
Е = ^ (1 + т) е т + г& quot- «-^т & quot- ф 4лг^ '- 2лг4 8
В случае исследования сред произвольной электропроводности в суммарном поле Еф будет преобладать либо
одна, либо вторая составляющая [1].
Цифровой георадиолокатор „Гео-скан ТОР“ (рис. 1), разработанный в ИГДС СО РАН, предназначен для детального изучения структуры горных пород произвольной электропроводности с представлением информации в режиме непрерывных наблюдений.
где п = -. х»
2
т
Рис. 1. Георадиолокатор «Геоскан-ТОР»
Отличительные особенности георадиолокатора: направленное излучение нормированного по спектру электромагнитного поля возбуждаемого импульсом Хэвисайда и независимые измерения трёх составляющих поля Нг, Ех и Еу с функцией суммирования и фазового инвертирования в программно управляемом по динамическому диапазону трех-канальном усилителе. Передающее антенное устройство, вертикальный магнитный вибратор, возбуждает в исследуемой среде поле Н2, Еф эллиптической поляризации. Сформированное в дальней зоне поле, в виде временной последовательности отраженных от неодно-родностей импульсов, наводится на вертикальный магнитный диполь приемной антенны в виде Н2 составляющей и на ортогонально ориентированные электрические приемные диполи Ех и Еу линейной поляризации. Сигналы, через широкополосный усилитель Н2 канала и
усилитель-сумматор Ех и Еу каналов, поступают на измерительное устройство для регистрации, цифровой обработки, накопления и записи [2].
Информация о геоэлектрическом разрезе на первом этапе необходима для построения физико-геологической модели изучаемой среды, с целью оптимальной постановки задач применительно к техническим и энергетическим возможностям георадиолокатора, а также для решения прямой задачи.
Для учета эффекта рассеяния поля в гетерогенных средах, моделируются дифракционные искажения георадиолокационных сигналов на локальных неоднородностях массива. В этом случае модель представляется каскадным включением четырехполюсников с комплексными функциями частотных характеристик приемо-передающей антенныант, вмещающей среды!? ср, функционально описываемой по фор-
Зона регулярных отражений
Зона нарушенного массива
а. Регулярные отражения от границ раздела в зоне ненарушенного массива и их спектр-
б. Переотражения на неоднородностях нарушенного массива и их спектр.
Рис. 2. Результат георадиолокационных зондирований нарушенности массива с применением спектрального анализа сигналов
муле Дебая для & amp-, и характеристикой частотной зависимости дифрагированного на неоднородности полядиф. При условии, что фронт падающей ТЕМ волны плоско-параллелен большой оси неоднородности, дифракционные потери определяются из выражения:
wдuф (ш) = Е Сп (-'-)п Н П2)(У2)ехр (/ла),
где Н П2)(ю) — функция Ханкеля второго рода- у — комплексная постоянная распространения ТЕМ волны во вмещающей среде на частоте ш. Коэффициенты ряда Сп рассчитаются с учётом функции Бесселя.
Результирующая комплексная частотная характеристика определяется произведением) = Wант (а) Ш'-ср (а)
диф (а)
При использовании спектрального подхода относительно зондирующего
сигнала So (t) находится спектр дифрагированного сигнала сигнала s (t) через прямое FT и обратное FT преобразование Фурье:
s (t) = FТ-1 ^Т^оШ W (а)}.
В расчетном спектре частот 30 100МГц, при динамическом диапазоне 40 дБ, моделирование дает следующие результаты:
• при дифракции поля на протяженной неоднородности, во вмещающем массиве возможна регистрация кварцевой жилы поперечного сечения более 200 мм-
• при дифракции поля на локальной неоднородности произвольной формы, возможна регистрация кварцевой друзы диаметром более 300 мм.
• Для уточнения азимутальных характеристик локальных неоднород-ностей проводится пространственно-временная обработка сигналов и анализ скорости распространения радиоим-
пульсов во вмещающей среде. После выявления сигналов s (t), отраженных от объектов исследований, их идентифицируют, анализируя исходные динамические, фазовые и частотно-спектральные характеристики зондирующего сигнала
Sо (t).
Основой для объяснения геологической природы обработанного георадиолокационного сигнала является методология сопоставления обобщенного статистического образа сигнала и сводной инженерно-геологической колонки участка работ. Качество геологической интерпретации во многом зависит от априорной информации о строении разреза. Геологическая интерпретация георадиолокационных разрезов базируется на результатах анализа керна скважин преимущественно по влажности, фациальному составу и минерализации. Влажность и минерализация пород являются определяющими факторами, описывающими функциональную взаимосвязь между криогенными, физико-механическими и электрофизическими свойствами среды. Информация о распределении льдистости по глубине разреза позволяет успешно идентифицировать опорные горизонты разреза.
Технология георадиолокационного зондирования апробирована при исследовании возможностей оценки на-рушенности мерзлого массива. На выбранном по рекогносцировочным исследованиям участке с выявленной зоной нарушенности горизонтально-слоистой структуры массива проведены детальные георадиолокационные исследования. Один из разрезов глубин представлен на рис. 2. Зона нарушенного массива по разрезу выделена контуром. Методом спектраль-
ного анализа сигналов в выбранном окне, разрез расчленен на два участка — участок (а) характеризуется широким спектром с огибающей близкой к огибающей зондирующего сигнала, это зона регулярных отражений от границ слоев ненарушенного массива, а участок (б) — спектр, характеризующий зону хаотичных переотражений на неодно-родностях нарушенного массива. Характер нарушенного массива определяется узкой спектральной составляющей на частоте 320 МГц, что ориентировочно соответствует длине волны в среде менее 0,5 м. По геологической оценке нарушенный массив «смят» на блоки с преобладающими геометрическими размерами около 0,7 м, что близко к георадиолокационному прогнозу.
Таким образом, применение спектрального анализа данных георадиолокационных исследований позволяет оценивать нарушенность горного массива, что открывает возможность определение блочности массива с инструментальной точностью и выходом на расчетные характеристики несущей способности пород [4].
Многолетние экспериментальные исследования показали, что применение георадиолокации в комплексе горногеофизических работ целесообразно по следующим основным направлениям:
• дистанционный ненарушающий контроль за криогенным и нарушенным состоянием мёрзлого горного массива в процессе отработки месторождений наземным и подземным способами-
• опережающий контроль за отработкой продуктивного горизонта-
• оперативная доразведка месторождения в процессе эксплуа-тации
[3].
В результате выполненных теоретических и экспериментальных работ раз-
работаны технологические основы импульсного высокочастотного электромагнитного зондирования мерзлого горного массива произвольной электропроводности. Разработаны и предложены к эксплуатации георадиолокационные устройства для исследования преимущественно мерзлых горных пород. Комплекс георадиолокационной аппаратуры обеспечивает исследование мерзлых горных пород в пределах 30 м, с детальностью 0,5 — 1 м и повышает информа-
тивность системы посредством реализации режима измерений динамических и кинематических характеристик сигналов.
В результате проведенных исследований получены электрофизические свойства мерзлых горных пород ненарушенной текстуры in situ с целью пополнения банка данных для корректной интерпретации результатов георадиолокационных измерений.
1. Ним Ю. А. Модель учета эффекта Максвелла-Вагнера в теории импульсной электроразведки // Тезисы докл. IV Междунар. конф. по математическому моделированию (Якутск, 2004 г.). — Якутск, 2004. — С. 77−79.
2. Омельяненко А. В., Федорова Л. Л. Зондирование диэлектрических сред перекрытых проводящим слоем электромагнитным полем, возбужденным вертикальным магнитным диполем // Георадар-2004: Тезисы. докл. IV Междунар. научно-практич. конф. (Москва 29 Ш — 2IV 2004 г.). — М., 2004. — С. 9−10.
3. Омельяненко, А. В. Георадиолокационные исследования структур и свойств горных пород // «Неклассические задачи геомеханики»
— СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
труды Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и по проблемам горных наук- г. Якутск, 16−20 июня 2008 г. / отв. ред. С. М. Ткач. — Якутск: Издательство ЯНЦ СО РАН, 2008 — С. 25−33.
4. Омельяненко А. В. Перспективы применения георадиолокации при подземной разработке месторождения южной Якутии // Материалы II Республиканской научно-практической конференции «Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых южной Якутии» (г. Нерюнгри, 19−21 октября 2004 г.). — Изд-во Якутского ун-та, 2004. — С. 64. ЕШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ —
Ним Юрий Александрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова,
Омельяненко Александр Васильевич — доктор технических наук, заведующий лабораторией георадиолокации, e-mail: omepavel@yandex. ru, Институт горного дела Севера им. Н. В. Черского СО РАН.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой