ее максимального поглощения, соответствующие границам руд­ ных тел, полостей, заполненных водой (рис. 10.10), и т. д.

Так, методом просвечивания на многих месторождениях обнаруживают дополнительные рудные тела, а на соляных месторождениях определяют положения полостей, заполненных соляным, хорошо проводящим раствором. Этим методом возможно обнаружение талых областей в зонах многолетней мерзлоты, плывунов в песках и т. п.

И н т е р ф е р е н ц и о н н ы й метод основан на приеме радио­ волн, излученных с земной поверхности и отраженных от границы раздела между двумя горными породами, обладающими раз­

Определив разность частот Д/, обусловливающих максимумы напряже­ ния в приемнике, можно вычислить Глубину отражающего слоя

и в породах; d — расстояние между приемником и излучателем (база изме­ рений).

Так как в данном случае принимается волна, дважды прошедшая через толщу породы, затухание волны будет более значительным, чем в методе просвечивания, п глубина, на которой можно обнаружить руды данным методом, по сравнению с методом просвечивания сокращается.

Как известно, с увеличением частоты усиливается поглощение электромагнитных волн. Поэтому волны высокой частоты не мо­ гут применяться при исследовании больших глубин в породах. В то же время применение электромагнитных волн большой длины снижает точность исследований из-за дифракционных явлений, возникающих в случаях, когда геометрические размеры рудного тела становятся соизмеримыми с длиной волны.

Интерференционный метод, очевидно, можно применять тогда, когда верхние слои пород имеют высокое электрическое сопро­ тивление. Несмотря на это, интерференционный метод по сравне­ нию с методом просвечивания обладает существенным преиму­ ществом — его можно использовать при наличии лишь одной обнаженной поверхности исследуемого массива.

10.3. Скважинные методы исследования

Геофизические методы исследования скважин (каротаж) осно­ ваны на изучении в скважинах различных физических полей. По данным скважинных исследований строят геологические разрезы, оценивают структуру месторождений, расчленяют ц0-

роды по литологическим признакам, выявляют полезные ископае­ мые, определяют физические свойства пород.

При каротаже применяют те же поля и методы, которые исполь­ зуются в полевой геофизике. Однако техническое воплощение этих методов и чприемы выполнения работ из-за специфических условий измерения сильно отличаются от рассмотренных в раз­ дело 10.2.

Рис. 10.11. Принципиальная схема каротажа)

1 — скважинный снаряд (датчик); 2 — кабель;

3 — блок-баланс; 4 — лебедка; 5 — реги­ стрирующая аппаратура

включающий в себя источник какого-то поля (в случае применения

по глубине скважины (рис. 10.12).

Наиболее часто применяют методы электрического каротажа — собственных потенциалов (ПС), кажущихся сопротивлений (КС), термокаротажа, радиоактивного каротажа и др.

По данным метода ПС выделяют пласты с различной электро­ химической активностью (напротив глинистых пластов наблю­ даются максимумы ПС, напротив песчанистых — минимумы)

иопределяют мощности пластов.

Вметодах КС определяют значения рк пластов трехэлектрод-

пыми зондами. Используя зонды разной длины, получают раз­ личную глубину проникновения тока в стенки скважины и со­ ответственно выявляют изменение рк с удалением от стенки сква­ жины — это один из вариантов метода КС — метод б о к о в о г о

Кривые БЭЗ интерпретируют с помощью специальных палеток

метод основан на измерении магнитной восприимчивости по глу­ бине скважины, второй — на измерении скорости распростра­ нения упругих колебаний по глубине скважины.

Рис. 10.13. Термокаротажные кри­ вые разведочной скважины:

Широко применяют также термический метод исследования скважин (термокаротаж). При данном методе используют как естественные температурные поля Земли, так и искусственные, создаваемые в пробуренных скважинах нагнетанием в них го­

то при постоянных удельных тепловых потоках q можно считать

Следовательно, в результате термокаротажа скважины можно, во-первых, установить геотермический градиент, и, во-вторых, расчленить массив па породы с различными тепловыми свой­ ствами.

Термокаротаж используют для определения границы зоны многолетней мерзлоты (рис. 10.14, а), мест подтока глубинных под (рис. 10.14, б), и газоносного пласта (рис. 10.14, в), а также вон оттаивания, степени промерзания пород и т. д. При приме­ нении термокаротажа определяют места притоков воды в скважины и оценивают скорости фильтрации воды в массивах. Это свя­ зано с тем, что движущиеся потоки воды служат первоисточни-

Рис. 10.14. Термические аномалии на термокаротажных кривых

ками тепла, и на термограммах места притоков обнаруживаются

сульфидные руды и каменные угли, создают в результате про­ цессов окисления повышенные геотермические аномалии, а дру­ гие, например газоносные пласты, создают в результате охла­ ждающего эффекта пониженные аномалии. Обнаружение этих аномалий на термограммах позволяет выявить месторождения полезных ископаемых.

Радиоактивный каротаж осуществляют либо измерением есте­

у-лучи. Так как поглощение у-лучей зависит от плотности пород, то, используя этот метод, можно оценивать плотность и пористость углей и пород.

В методе н е й т р о н н о г о г а м м а к а р о т а ж а по­ роды в скважине облучают потоком быстрых нейтронов. Последние,

гии и скорости; легким ядрам они передают часть своей энергии и замедляются, превращаясь в так называемые тепловые ней­ троны, которые затем легко поглощаются ядрами других эле­ ментов. При этом возникает вторичное гамма-излучение, вели­ чина которого прямо пропорциональна числу тепловых нейтро­ нов.

Известно, что больше всего нейтроны замедляются ядрами водорода, так как последние по своей массе близки к массе ней­ тронов.

Содержание водорода в разных горных породах различно. Например, у пород, содержащих кристаллизационную воду (гипсы), водорода намного больше, чем у других пород. Это обстоятельство позволяет диагностировать породы при обследо­ вании скважин.

Количество водорода в породах связано также с их влаж­ ностью. Это означает, что нейтронным способом можно оценивать влажность или пористость пород и на основании этого обнару­

как и в предыдущем методе, породу облучают нейтронами, но фик­ сируют не гамма-излучение, а непосредственно плотность потока

(активационный метод) позволяет фиксировать интенсивность гамма-излучения радиоактивных изотопов, образующихся при облучении пород нейтронами. Проведя периодические измерения в одной и той же точке, устанавливают период полураспада изотопов и по нему определяют вещественный состав пород.

Используют также каротаж по методу р а д и о а к т и в ­ н ы х и з о т о п о в , который называется еще методом «меченых атомов», когда в скважину вводят изотопы и в дальнейшем сле­ дят за их перемещением по пластам. В результате определяют проницаемость, скорость и направление движения подземных вод в пластах.

Появляются новые методы исследования скважин, основан­ ные на изучении свойств пород. Так, оптические свойства пород используют в ф о т о м е т р и ч е с к и х < м ё т о д а х каротажа скважин. Таким методом можно легко выявить^наличие пластов и прослойков горных пород, обладающих различными коэффи­ циентами! отраженияJ CBета.

и мощность пластов и прослойков.

состояние на отдельных участках шахты или карьера и, следо­ вательно, заблаговременно принять меры по предотвращению или локализации обрушений.

На открытых горных работах основные причины, вызывающие нарушение устойчивости массивов, следующие: увеличение кру­ тизны откосов; увеличение веса толщи вследствие водонасыщения,

(например, подсечка или размыв нижней части борта) и, наконец, снижение сопротивляемости горных пород (растрескивание, водонасыщение, дегидратация и т. д.).

Наблюдение за откосами и бортами карьеров и отвалов осу­ ществляют преимущественно методами маркшейдерской съемки — м е т о д о м р е п е р о в . Для этого по наиболее опасным направлениям в массиве пород забивают репера, относительное сдвижение которых в плане и по высоте регулярно контролируют при помощи теодолита и нивелира. На основании измерений получают информацию о скорости и направлении смещения от­ дельных участков массива и устанавливают необходимые про­ филактические мероприятия.

Метод реперов применим лишь при условии начавшейся де­ формации массива. Часто же необходимо заранее определить степень его устойчивости, для чего используют различные физи­ ческие методы.

Весьма существенным фактором, обусловливающим устой­ чивость горных массивов, является степень их трещиноватости и нарушенности. Для количественной оценки этого параметра можно воспользоваться скоростью прохождения упругих волн у, так как она зависит от трещиноватости пород. Как известно, (см. раздел 2.10), отношение скоростей упругих колебаний в на­ рушенном массиве и монолите может служить характеристикой нарушенности массива A t.

Оценить нарушенность массива можно также по отношению скоростей продольных и поперечных волн vp vs. Как было пока­ зано в разделе 2.9, большие значения vp vs соответствуют более нарушенным породам. Непосредственно с нарушенностыо пород

связан также коэффициент поглощения 0, по величине которого тоже можно судить о состоянии массива.

О степени нарушенное™ массива и его напряженном состоя­ нии можно судить также по регулярным измерениям его э л е к ­ т р о п р о в о д н о с т и . Последняя, так же как и скорость упругих волн, зависит от напряженного состояния пород (см. раздел 6.2). Поэтому, заранее установив подобную закономерность

!

' / Л

W7777777Z7777777Z%

Рис. 10.15. Схемы измерения напряжений методом полной разгрузки в глубине горного массива:

а— вариант торцовых измерений: 1 — разгрузочная щель; 2 — керн; з — тензодатчики;

б— вариант соосных скважин: 1 — разгрузочная скважина; 2 — опережающая скважина;

3 — тензодатчик

для пород определенного месторождения и введя поправки на влажность и возможную нарушенное™ массива, можно не­ посредственно по величинам v или оэ определить величину на­ пряжений в бортах карьера.

В подземных условиях наиболее распространенный механиче­ ский метод оценки напряжений — это метод разгрузки, основан­ ный на способности элемента массива упруго восстанавливать первоначальную форму после его отделения от основного нагру­

ск в а ж и н .

Впервом случае в изучаемом массиве на требуемую глубину пробуривают скважину (рис. 10.15, а). Затем забой скважины выравнивают и на него наклеивают тензодатчики — электриче­ ские, фотоупругие или муаровые. Затем коронкой меньшего диаметра создают разгрузочную щель и получают керн, т. е.

отделяют элемент с датчиками от остального массива. Очевидно, если этот элемент до отделения испытывал напряжения а, дей-* ствующие в массиве, то после отделения он должен расшириться на величину относительной деформации е, зависящую от упру­ гих свойств породы и регистрируемую тензодатчиком.

Таким образом, зная упругие свойства породы,- можно вы­ числить напряжения в породе.

Для того чтобы учесть как вертикальные, так и горизонталь­ ные напряжения, на забой скважины наклеивают в строго ориен­ тированном положении от двух до четыре х датчиков.

Деформометры, применяемые для замера изменений диаметра скважин, бывают механические, на базе тензодатчиков электри­ ческого сопротивления, индукционные, емкостные и др.

Деформометрами можно измерять не только изменение диа­ метра скважин, но и величину отслоения кровли, изменения поперечных размеров целиков, а также контролировать процесс пучения пород почвы или стенок подземных выработок. Для перечисленных целей удобны емкостные и индукционные дат­ чики, так как они могут быть включены в схему радиопередат­ чика. Это позволяет передавать информацию о состоянии участка

ванные на покрытии стенок выработок оптически активными материалами, муаровыми сетками и др. П о л я р и з а ц и о н ­ н о - о п т и ч е с к и й м е т о д основан на способности большин­ ства прозрачных изотропных материалов (стекло, эпоксидная смола и т. д.) под воздействием напряжений приобретать свой­ ство двойного лучепреломления. Величина двойного лучепрелом­ ления связана с величиной напряжений и может быть измерена

вании породы хрупкий лак трескается, на его поверхности воз­

Главным недостатком всех рассмотренных методов измерения напряжений является трудоемкость и ограниченность получае­ мой информации. Общее состояние напряженности массива пород вокруг выработки можно установить лишь физическими мето­ дами, основанными на использовании закономерностей изменения физических свойств пород от давления.

Использование закономерностей распространения упругих ко­ лебаний. Существуют пассивный и активный методы йсследова-

■основан на наблюдениях за естественными упругими импуль­ сами, возникающими в массиве горных пород при изменении его напряженного состояния. Установлено, что рост напряжений в породе сопровождается раскрытием в ней микротрещин, вызы­ вающим эффект потрескивания массива.

Определив при помощи специального прибора — геофона час­ тоту возникновения звуковых импульсов, можно оценить напря­ женное состояние массива. Так, выявлено, что в шахтах Криво­ рожского бассейна 30—40 звуковых импульсов в минуту харак­

на зависимости скорости и коэффициента поглощения упругих волн как от напряженного состояния пород, так и от степени их трещиноватости. Для монолитного образца связь между давле­

обратно пропорционален величине нормальных напряжений в це­ лике:

I, UMR /M U h

Рис. 10.16. Зависимость скорости распространения температуры в породах от давления: 1 — 2- 10е Па; 2 — 4- 10е Па; 3 — 107 Па

Рис. 10.17. Зависимость частоты импульсов гамма-излучения / от давления

чеиием степени трещиноватости сухих пород. Как известно, при одноосных напряжениях в целике наибольшая сеть трещин возникает в вертикальном или близком к вертикальному направле­ нии. Поэтому, замерив сгэ. в по высоте целика и о’э.ш но его ширине, можно установить отношение сгэ.в/(Тэ.ш, которое характеризует степень устойчивости данного целика. Увеличение аэ.„/аэ.ш во вре­ мени будет указывать на снижение устойчивости целика.

Изменения д и э л е к т р и ч е с к о й п р о н и ц а е м о с т и массивов пород с повышением давления также можно использо­ вать для создания датчика напряженного состояния пород.

силы уменьшается, это явление можно использовать при оценке напряженного состояния массивов и целиков на железорудных месторождениях. .Данный метод ценен тем, что показания дат­ чика не зависят от влажности породы, так как магнитные Про­ ницаемости воздуха и воды примерно равны единице.

Поскольку распространение и поглощение электромагнитных волн в породах зависят от их электрических свойств, а послед­ ние с изменением давления изменяются, на этой основе можно осуществить радиоволновой метод контроля напряжений в по­ родах.

Для бесконтактного измерения малых деформаций горных пород при проявлениях горного давления можно применять

также о п т и ч е с к и е к в а н т о в ы е г е н е р а т о р ы (ла­ зеры).

Использование тепловых свойств пород. Зависимость тепловых свойств пород от давления можно использовать для оценки на­ пряженного состояния массивов пород путем регистрации ха­ рактера изменения, температуры во времени в скважине, распо­ ложенной на некотором расстоянии от нагревателя. Время до­ стижения максимума температуры в измеряемой точке, зави­

ния давления через некоторый объем горной породы, существенно уменьшалось (рис. 10.17). Радиометрический метод можно ис­ пользовать для контроля за пучащими породами, так как пучение пород всегда сопровождается их разрыхлением и, следовательно, снижением плотности.

10.5.Обнаружение включений и опасных зон

вмассивах пород

Нарушение режима работы горного предприятия может прои­ зойти пе только в связи с проявлениями горного давления, но и при встрече добычных машин с неожиданными препятствиями — крупными включениями крепких пород, карстами, заполненными водой, сильно разрушенными зонами, плывунами, и т. д. В связи с этим необходимо осуществлять по возможности непрерывный контроль за состоянием и составом разрабатываемого массива пород с опережением забоя по крайней мере на 5—10 м.

Для целей такой технологической разведки или интроскопии можно использовать практически все ранее описанные геофизи­ ческие методы разведки месторождений. Однако малые глубины и объекты разведки обусловливают ряд особенностей применения

применения из-за малых баз возможного прозвучивания (до не­ скольких метров). В то же время в горной практике на принципе отражения упругих колебаний разработан ультразвуковой дат­ чик, позволяющий обнаруживать твердые доломито-углистые включения в каменном угле впереди работающего роторного экскаватора и различные инородные геологические тела при подземной разработке (рис. 10.18).

Так как две породы могут иметь одинаковые значения одних параметров и различные значения других, выбор того или иного способа интроскопии в конкретном случае зависит от возможности обнаружить границу контакта разных тел данным способом.

А к у с т и ч е с к и м и м е т о д а м и можно обнаруживать контакты двух пород, если их удельные волновые сопротивления различны. Так, изменение скорости упругих колебаний при за­ мерзании влажных пород используется для определения механи­ ческих свойств мерзлых пород и мощности мерзлых слоев. Аку­ стическим методом можно выявлять трещиноватые зоны в скаль­ ных породах, заполненные льдом.

1 — излучатель; 2 — приемник;.з — осциллограф; 4 — включение; 5 — область акусти­ ческой тени

При выборе частоты упругих колебаний для исследования массивов исходят из следующих условий:

где Хщах и /щах — максимальная длина и частота упругой волны'; dmin— минимальный размер неоднородности; rtmin— минимальное число периодов волны, необходимое для обеспечения селективного приема отраженного сигнала; Zmjn — минимальное расстояние до неоднородности.

метод электроинтроскопии может быть использован для прогноза водоносных зон на угольных шахтах.

Так как удельное электрическое сопротивление увлажненной зоны значительно меньше сопротивления вмещающей' среды р1э, то, используя метод электросопротивлений, можно обнаружить

где рк — кажущееся (суммарное) сопротивление пород над цен­ тром зоны; I — полуразпос питающих электродов (АВ/2); h — расстояние от центра водоносной зоны до точки" наблюдения.

Рассмотренный метод электроинтроскопии применен на шах­ тах Подмосковного угольного бассейна.

Для выделения пористых и трещинно-кавернозных участ­ ков в однородном по химическому составу разрезе карбонатных пород можно применять метод вызванной поляризации (см. раз­

и зависит от степени их раскрытия и электрического сопротивле­

сопротивление соответственно нетрещиноватой породы и трещин, заполненных водой; г) — коэффициент поляризуемости нетрещииоватого блока породы.

Радиоволновые методы пригодны для контроля ширины и со­ стояния угольных целиков в очистных забоях, причем выпол­ нить этот контроль данными методами можпо даже при доступе

кцеликам с одной стороны.

Отолщине целика судят по изменению сопротивления. излу­ чающих и приемных антенн, а в случае контроля целиков, состоя­ щих из хорошо проводящих пород, — по величине индуцирован­ ных в этих породах токов.

При этом с целью снижения влияния влажности пород на ре­ зультаты измерения используют электромагнитные волны вы­ сокой частоты, так как с увеличением частоты поля влияние воды на величйны ег, tg б и рэ уменьшается (см. раздел 4.2).

Изменения м а г н и т н о й п р о н и ц а е м о с т и руд с из­ менением температуры используются в методах обнаружения

Интерпретация этих аномалий позволяет судить о том, что может встретиться на пути проведения выработки: подземные воды, скопление газов, рудные включения и т. д.

Обнаружение участков, опасных по внезапным выбросам угля и пыли. Одним из опаснейших проявлений горного давления

являются горные удары и внезапные выбросы угля (породы) и газа, происходящие мгновенно и сопровождающиеся разруше­ нием больших объемов массива.

Причиной этих явлений служит комплекс различных фак­ торов — повышенные напряжения, давление газа в пластах, механические свойства и состояние горных пород.

Рис. 10.li). Номограмма ИГД им. А. Л. Скочиненого для определения выбросоопасности угольных пла­ стов Кузбасса

Приближенно п о т е н ц и а л ь н у ю у д а р о о п а с н о с т ь угольного пласта оценивают коэффициентом нагруженности К и:

коэффициент влияния угла падения; ат— напряжения тектони­ ческого поля; сгсж — предел прочности угольного пласту при сжа­ тии.

Таким образом, весьма важно в угольных пластах определять зоны повышенных напряжений, являющиеся потенциально опас­ ными по выбросам угля и газа. Такие зоны могут быть выявлены выше рассмотренным пассивным акустическим методом с помощью геофонов. Так, например, а к у с т и ч е с к и й к а р о т а ж скважин, пробуренных в Донбассе по падению пласта, позволил выявить зоны пласта с повышенной шумпостыо. При этом уста­ новлено, что критерием прогноза выбросоопасных зон можно считать более чем двукратное превышение интенсивности потре­ скиваний над средним уровнем.

К х — AM —10/2;

(10.31)

^ 2 = Д Л Г -25/3,