Введение 4 ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы.

Введение
4 ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы.
Геофизические методы исследований играют важную роль в современном горном
производстве как на стадии поисков и разведки полезных ископаемых, так и на стадии
эксплуатации месторождений, доразведки и обеспечения безопасности ведения горных
работ. Особое внимание уделяется соляным месторождениям, которые в силу специфики
физико-геологических условий требуют нестандартных подходов к методикам
геофизических измерений и приемам истолкования получаемой информации. В связи с
этим, повышение эффективности одного из основных геофизических методов — метода
электрометрии применительно к условиям Верхнекамского месторождения калийных
солей (ВКМКС), представляется актуальным и имеет большое практическое значение.
Перспективность применения электрометрии в условиях ВКМКС определяется в первую
очередь тесной зависимостью электрических свойств пород от целого ряда факторов,
связанных с изучением физических свойств и обеспечением безопасности ведения
шахтных работ: трещиноватости, газо- и влаго-содержания соляных пород, их состава,
структуры и текстуры, напряженно-деформированного состояния, а также высоким
информационным потенциалом электрометрии, основанным на использовании различных
по своей природе электромагнитных полей, разнообразием методов и методик их
возбуждения и регистрации. Немаловажное значение играет и относительно высокая
производительность в сочетании со сравнительно низкой стоимостью проведения таких
работ.
Вопросам применения электрометрии для решения горно-геологических задач уделяли
внимание многие исследователи: В.К.Хмелевской (1964, 1984, 1994), В.А.Шевнин,
И.Н.Модин, И.Д.Игнатова, Е.В.Перваго (1995), В.С.Титлинов (1996), Р.Б.Журавлева
(1992), Э.Х.Вишняков, О.В.Косарев, Е.И.Леонкин (1990), В.Ю.Задорожная (1992), Kessels
(1985), Flach (1989), Yara-manci (2000), В.П.Колесников (1987,1989,1997-2004) и др.
5
Впервые наземные электроразведочные работы на территории ВКМКС были выполнены
методом ВЭЗ в 1936 году А.М.Пылаевым. В дальнейшем изучением строения пород
надсолевого комплекса с помощью методов ВЭЗ и СЭП занимались в различные года
И.А.Комиссаров (1940, 1942), Г.П.Касаткин (1940), П.И.Новиков (1949), Ф.И.Жалыбин
(1950), К.П.Иванов, А.П.Зудин, Р.И.Гескин (1955), В.Д.Новгородов (1965), И.М.Скумбин
(1966), Б.Ю.Букин (1972), А.Г.Мелехов (1975), В.П.Колесников, В.А.Поносов,
И.Н.Королев (1986), В.П.Беляев (1989), Т.В.Харитонов (1992). Кроме того, проводились
опытно-методические работы по оценке эффективности методов 43 (В.С.Титлинов,
Р.В.Журавлева, 1987), ЗСБ (М.Г.Фролович, А.В.Кавин, В.Д.Карпов, 1964;
В.Ю.Задорожная, 1991).
Шахтные электроразведочные работы на рудниках ВКМКС начались в 1986 году с
момента образования геофизического участка подземной геологоразведочной партии ПО
«Уралкалий». Используемый набор методов включал метод срединных градиентов (СГ), и
его модификацию — съёмку установкой (ANB)fixM (Э.Х.Вишняков и др., 1992), метод
естественного поля (ЕП), которые сначала использовались в комплексе с дипольным
осевым зондированием (ДОЗ), а в последствии вытеснили его как более дешёвые.
Применение методов электрометрии в условиях соляных шахт сопряжено с немалыми
трудностями как в методическом плане, так и в плане истолкования полевых измерений,
оказывающими влияние на эффективность использования традиционных наземных
методов электроразведки. Слабая изученность физических свойств солей нередко
приводят к противоречивым толкованиям результатов наблюдений и порождают массу
вполне правомерных вопросов относительно информативности и достоверности
получаемых материалов, касающихся природы выделяемых аномалий, определения
глубинности исследований, влияния верхних и нижележащих толщ пород относительно
штрека в формировании электрических полей, влияния локальных неоднородностей (луж
конденсата, повышенной проводимости штыба, возможного наличия пленки конденсата
на поверхности штрека), выработанного пространства, зависимости
6 электрических свойств от времени проходки штрека и др.
Ответы на многие из этих вопросов, в силу специфики объекта исследований, весьма
затруднительны и часто практически невозможны без выяснения природы и особенностей
проводимости солей в условиях естественного их залегания, количественных оценок
электрических свойств, слагающих разрез пород и изучения особенностей
распространения электрического тока, накопления определенного параметрического
материала, необходимого для повышения однозначности истолкования результатов
электрометрии, что определило цели и задачи данной работы
Целью исследований являлась разработка теоретического и методического обеспечения
электроразведочных работ в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей
направленного на решение широкого спектра горно-геологических задач, повышение
достоверности, информативности и геологической содержательности получаемых
результатов. Основные задачи работы:
1. Составить физико-геологическое обоснование к применению методов электрометрии на
ВКМКС.
2. Выполнить численное моделирование электрических полей для обоснования методик
наблюдений в условиях ВКМКС и оценки влияния искажающих факторов (горных
выработок, луж конденсата, металлического оборудования, электромагнитных помех и т.
д.) на результаты электроразведочных измерений.
3. Разработать способы определения количественных параметров основных пачек соляных
пород при изучении поля во внутренних точках среды.
4. Разработать методики, основанные на использовании многоканальных и векторных
наблюдений при выполнении работ в условиях ограниченного пространства при наличии
помех.
5. Изучить возможности использования техногенных электромагнитных полей для
получения оперативной информации о геоэлектрических особенностях геологической
среды.
JW-
7
6. Разработать оптимальный комплекс наземных, подземных и наземно-подземных
электроразведочных методов для изучения надсолевых и солевых отложений. *••
Основные защищаемые положения:
1. Разработанные способы определения количественных параметров анизотропных
геологических моделей пластового типа с использованием аналитических методов расчета
электрического поля во внутренних точках среды, повышают информативность и
достоверность результатов шахтной электрометрии.
2. Предложенные и обоснованные на основе математического моделирования и
экспериментальных работ методики наземных, подземных и наземно-подземных
электроразведочных наблюдений изучения физических свойств водозащитной толщи
(ВЗТ) и околоштрекового пространства расширяют возможности и качество решаемых
задач по обеспечению безопасной отработки Верхнекамского месторождения калийных
солей.
3. Разработанные помехоустойчивые способы выявления аномалиеобра-зующих объектов
в околоштрековом пространстве, основанные на применении многоканальных установок и
методов численного моделирования? повышают точность количественных оценок
физических и геометрических параметров среды.
4. Спектральные векторные измерения электромагнитного поля неконтролируемых
(техногенных) источников и приемы их интерпретации обеспечивают получение
оперативной информации о физических свойствах геологической среды.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые в условиях соляных
месторождений:
- на основе изучения физико-геологических особенностей разреза, натурного физического
моделирования и разработанного способа расчета электрического поля во внутренних
точках среды дано научное обоснование механизма электропроводности основных
комплексов соляных пород и с помощью разра8
ботанной технологии определены количественные значения их электрических свойств,
включая анизотропию;
- выполнено развитие векторного способа определения пространственного положения
аномалиеобразующего тела для случая измерений в анизотропной вмещающей среде;
- предложена и реализована методика наземно-подземного просвечивания массива пород
с целью прямой оценки состояния водозащитной толщи;
- разработан помехоустойчивый метод опережающей разведки проходки штрека в
условиях горизонтальной неоднородности разреза, основанный на использовании
многоканальных наблюдений и эмпирических соотношений, полученных с помощью
численного моделирования для определения положения аномальных объектов
впередизабойного пространства;
- показаны возможности использования спектров электромагнитных полей
неконтролируемых (техногенных) источников для изучения свойств геоэлек-трического
разреза на разных эффективных глубинах и экспресс оценки состояния геологической
среды;
- адаптированы к геоэлектрическим условиям ВКМКС программно-измерительный
комплекс импульсной электроразведки становлением поля в ближней зоне ТЕМ-FAST и
компьютерная технология интерпретации результатов электрического зондирования
ЗОНД, позволившие получить новую геолого-геофизическую информацию о
геологическом строении месторождения и наличии зон потенциально опасных для
ведения горно-технических работ.
Практическая ценность и значимость результатов исследований: Разработанный комплекс
методов электрометрии внедрен в ОАО «Уралка-лий» и включен во «Временную
инструкцию по проведению наземных и подземных электроразведочных работ с целью
обеспечения безопасной отработки Верхнекамского месторождения калийных солей». В
результате применения комплекса впервые получены количественные характеристики и
коэффициенты анизотропии основных пачек пород, выявлен ряд зон, представляющих
опасность для ведения горнотехнических работ.
9 Публикация и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 18 работ. Основные результаты исследований и
положения диссертационной работы докладывались с 1999 г. на конференциях и
семинарах различного уровня: региональные научные конференции «Геология и полезные
ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2000, 2001), 1-я, 2-я, 3-я и 5-я Уральские
молодежные научные школы по геофизике (Екатеринбург, 2000,2002, 2004, Пермь, 2001);
международных конференциях "Проблемы безопасности и совершенствования горных
работ". (Пермь, 1999), «Проблемы комплексного освоения месторождений солей»
(Соликамск, 2000); 1-ой Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным
зондированиям Земли (Москва, 2003), научных сессиях Горного института УрО РАН с
1999 по 2004 годы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения.
Объем работы - 147 страниц текста, включая 33 рисунка, 2 таблицы и список
использованной литературы из 129 наименований.
Исходные материалы и личный вклад автора. Диссертация отражает результаты
исследований, проводившихся с 1999 года по госбюджетной и договорной тематике в
Горном институте Уральского отделения РАН.. Постановка и выполнение теоретических
и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, проведены при
непосредственном участии автора.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему руководителю
профессору В.П.Колесникову за профессиональную помощь при постановке задач,
решении вопросов связанных с научной деятельностью и моральную поддержку,
оказанную на всем протяжении написании работы.
Автор благодарен профессору Б.К.Матвееву и профессору В.М.Новоселицкому за
дискуссии, обсуждение тематики работы и проявленное к ней внимание.
В процессе выполнения исследований автор ощущал поддержку и инициирование работ
со стороны начальника геолого-маркшейдерского отдела ОАО «Уралкалий"
Н.В.Кузнецова, главного геолога СП УПБиГРР
10
С.Ю.Квиткина. Весьма полезными были обсуждения производственных вопросов с
главным геологом ОАО «Сильвинит» Ю.В.Мынкой. Активное творческое участие при
выполнении экспериментальных работ принимали сотрудники структурных
геофизических подразделений ОАО "Уралкалий" и ОАО «Сильвинит» Е.М.Ефимов,
С.А.Миронов, В.П.Матвеев, А.П.Сальников, В.П.Пронин, Е.В.Шарифьянова и др. Всем
указанным лицам автор выражает искреннюю благодарность.
11
1. ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ
ЭЛЕКТРОМЕТРИИ В УСЛОВИЯХ СОЛЯНЫХ ШАХТ
Соляные породы - уникальный и в геологическом, и электрическом отношении объект
исследования. В чистом виде соль, как известно, является диэлектриком - изолятором для
квазипостоянного электрического тока, но в то же время обеспечивает хорошую
проникающую способность для высокочастотных электромагнитных волн [65,92,
109,120]. С другой стороны, например, при высоком содержании в ней поровой влаги, она
ведет себя как хороший, проводник и дает обратную картину для распространения в ней
постоянных и переменных полей, то есть по характеру электропроводности ее можно
рассматривать как своеобразную неустойчивую систему.
В условиях естественного залегания соляных пород их электрические свойства
определяются достаточно большим числом факторов: степенью тре-щиноватости,
флюидонасыщенности, содержания влаги, ее минерализацией, характером напряжения,
составом пород, наличием примесей, структурой и текстурой пород, определяющих не
только широкий диапазон возможных значений проводимости, но и анизотропные и
фрактальные ее свойства [30].
Использование методов электрометрии в условиях соляных шахт сопряжено с немалыми
трудностями как в методическом плане, так и в плане истолкования полевых измерений.
Слабая изученность и специфика физических свойств солей нередко приводят к
противоречивым толкованиям результатов наблюдений и порождают массу правомерных
вопросов, относительно информативности и достоверности получаемых материалов,
касающихся природы выделяемых аномалий, определения глубинности исследований,
роли верхнего и нижнего полупространств (относительно штрека) в формировании
электрических полей, влияния на результаты измерений приповерхностных неоднородностей (луж конденсата, повышенной проводимости штыба, возможного наличия пленки
конденсата на поверхности выработки), выработанного пространства, зависимости
электрических свойств от времени проходки штрека и др.
12
Ответы на многие из этих вопросов, в силу специфики объекта исследований, весьма
затруднительны и часто практически невозможны без знания особенностях строения и
формирования Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), природы
электропроводности и количественных оценок электрических свойств, слагающих разрез
соляных пород, изучения особенностей распространения электрического тока, без
накопления определенного параметрического материала, необходимого для повышения
однозначности истолкования результатов электрометрии.
Уяснению и решению этих вопросов посвящен материал данной главы. В качестве
базовой основы при этом использованы программы численного моделирования
электрических полей, компьютерной количественной интерпретации подземных
электрических зондирований, методики и приемы оценки анизотропных свойств среды,
влияния приповерхностных неоднородностей и др. Существенную роль в осмыслении и
обосновании результатов электрометрических наблюдений сыграли публикации
последних лет, посвященные изучению геологии данного региона
[3,4,27,28,37,43,44,63,64,74,81,83,85,86,114,115] и главным образом, работа А.И
Кудряшова, обобщающая геологические сведения об особенностях строения и
формирования ВКМКС [64].
Остановимся на рассмотрении основных геологические особенности формирования
ВКМКС и количественных оценках формирования электрических полей и электрических
свойств пород.
1.1. Физико-геологические особенности строения и состояния соляных пород
Верхнекамского месторождения калийных солей
По современным представлениям [64,81] образование и накопление соляных отложений
ВКМКС происходило в результате испарения морской воды кунгурского
внутриконтинентального водоема морского типа, располагавшегося к восточной части
Русской платформы и Предуральском краевом прогибе, в условиях засушливого
(аридного) климата.
Соляные породы Верхнекамского месторождения представлены камен13
ной солью (NaCl), сильвинитами (КС1) и карналлитовыми породами (KCl-MgCl26H2O).
Оценочные расчеты, выполненные на момент накопления основной калийной залежи
показывают:
• мощность «чистых» солей, выпавших из рапы бассейна до начала садки калийных
минералов. Она слагается из мощности ангидритов глинисто-ангидритовой толщи (ГАТ) и
«чистого» галита подстилающей каменной соли (ПдКС). Средняя мощность ГАТ
составляет 230 м, в которой на долю ангидрита приходится от 26 до 79%. Мощность
ПдКС составляет 330 м, часть которой сложена несоляными породами. При этом на долю
нижней пачки ПдКС, мощность которой изменяется от 61 до 98,6 м, приходится 57,6 м
несоляных пород, а на долю верхней пачки ПдКС;
• средняя мощность единственного пласта несоляных пород (пласт «маркирующая глина»
(МГ) составляет 2 м.
Вместе с тем, выполненные детальные исследования микрослоистости верхней части
ПдКС показали, что средняя доля глинисто-ангидритовых прослойков в ее каменной соли
равна 0,03, а их общая мощность - (270 х 0,03) «8 м. В итоге суммарная мощность
несоляных пород ПдКС составляет «70 м, а мощность "чистого" галита «260 м. В
последнем случае пренебрегая малой пористостью каменной соли, которая в среднем
составляет 1,5% [64].
Многочисленные исследования показали, что изменение пористости от глубины
практически не зависит от состава осадков, а функция имеет один и тот же вид:
nH = n0-tf-lgH, (1.1)
где пн - коэффициент пористости осадка на глубине Н, По - начальный коэффициент
пористости, а - показатель сжимаемости.
Таким образом, условия соленакопления показывают значительную неоднородность
состава, что обуславливает электропроводность соляных пород.
Несмотря на то, что многие особенности геологического строения Верхнекамского
месторождения прямо свидетельствуют о проникновении различ14
ных флюидов внутрь соляной толщи (элизионные воды, гидротермы, нефть и др.),
механизмы этого проникновения до сих пор остаются не выясненными. Дело в том, что в
солях месторождения нет явных признаков разломов, по которым могли бы проникать в
соляную залежь воды различного генезиса.
Наиболее благоприятными путями проникновения инфильтрационных вод внутрь
соляной толщи являются, по нашему мнению, относительно мощные прослои глинистоангидритового материала, выходящие на соляное зеркало.
Вопрос о путях миграции растворов в соляной толще месторождения имеет
принципиальное значение, поскольку именно они, в конечном счете, определяют
конкретное положение эпигенетических преобразований состава и структуры солей.
Первый из них обусловлен различием проницаемости соляного осадка и пластов,
слабоуплотненных карбонатно-ангидрит-гл инистых отложений. Второй уровень
проявлялся в чередовании относительно чистых соляных прослойков и глинистых илов.
Различие проницаемости обоих уровней обусловлено одной и той же причиной размерами сообщающихся пор.
По мере погружения соляных толщ пористость и сообщаемость пор в осадке уменьшалась
и, при достижении определенной глубины, пористость солей сокращается до 1-2%, а
проницаемость, вследствие изолированности пор, снижается практически до нуля.
Однако, скорости снижения проницаемости различных осадков не одинаковы.
Глины, вследствие отставания уплотнения, сохраняют еще значительную пористость
8,6%. Дело в том, что при достижении солями практически нулевой проницаемости,
уплотнение глин почти останавливается. Содержащиеся в тонких прослоях и пластах
соленосных глин поровые воды, вследствие малого градиента давления, не могут
переместиться к краевым частям соленосной толщи, т.е. к местам их возможной
разгрузки. Таким образом, из-за разницы скоростей уплотнения различных типов осадков
в консолидированной толще солей формируется система субпараллельных близко
расположенных флюидо-проводников, представляющих собой тонкие тела соленосных
глин. В связи с
15
этим говорить о практически нулевой проницаемости соляных пород можно только тогда,
когда проницаемость замерялась на образцах, не имеющих прослоев соляных глин, или
поперек слоистости породы.
Несмотря на то, что при уплотнении проницаемость глинистых прослоев снижалась, тем
не менее, по отношению к проницаемости уплотненных солей она остается большой.
Проницаемость соленосных глин остается высокой и в абсолютном смысле, если
сравнивать ее с проницаемостью обычных глин. Этому способствует сильная
концентрация солей в поровых растворах соленосных глин, поскольку из-за высокого
содержания электролитов толщина пленки рыхлосвязанной воды вокруг глинистых
частиц значительно меньше, чем в случае, когда флюид представлен пресной водой.
Разница проницаемости глин по рассолу и по пресным водам может достигать 100 раз.
Относительно высокая проницаемость глин в толще Верхнекамского месторождения
подтверждается часто наблюдаемым истечением рассолов и увлажнением стенок горных
выработок.
В конечном итоге, вышеприведенные рассуждения о формировании и наличии множества
тонких флюидопроводников, представленных прослоями и прослойками соленосных
глин, пронизывающих по латерали всю соляную толщу, есть лишь констатация факта.
Флюидопроводниками другого порядка являются микротрещины и межзерновые границы,
которые всегда присутствуют в любой породе. Минимальная ширина микротрещин, при
которой еще возможна фильтрация флюидов, составляет 0,15 мкм. Наличие микротрещин
в солях Верхнекамского месторождения не вызывает сомнений, особенно в отношении
карналлитовых пород. Перенос вещества по очень тонким трещинам и межзерновым
границам происходит за счет диффузии. Однако эти расстояния невелики и составляют не
более 3-10"4 см. Геологические процессы характеризуются очень большим физическим
временем, которого вполне достаточно для достижения физико-химического равновесия
за счет диффузии в пределах микроцикла солей. Отсюда следует, что наличие
флюидопроводников рассмотренных масштабов
16
(прослойки соленосных глин, микротрещиноватость и границы зерен) предопределяет
принципиальную возможность взаимодействия агрессивных растворов с любым объемом
соляных пород даже на стадии катагенеза [64].
Интересно отметить, что коэффициент проницаемости пород в сильной степени зависит
от характера напряжения приложенного к ним. Так, например, установлено, что при
равностороннем напряжении только 1% межзерен ных границ каменной соли являются
флюидопроводящими, которые обеспечивают ее коэффициент проницаемости равным
10"5 мД. Если разность главных компонент напряжения, приложенного к каменной соли,
составляет 1 МПа, то флюидопроводящими становится уже 25% всех межзеренных
границ, а коэффициент проницаемости этой породы увеличивается в несколько десятков
раз.
Рассмотрим более крупные флюидопроводники, образовавшиеся в результате воздействия
на соляные породы внешних сил. Такими флюидопровод-никами являются, например,
трещины, которые особенно широко развиты в прослоях соленосных глин. В
подавляющем большинстве случаев сейчас эти трещины выполнены вторичными
соляными минералами. Наряду с залеченными, в породах, в том числе и соляных,
встречаются, но значительно реже, открытые трещины.
В относительно мощных прослоях глинисто-ангидритового материала соляной толщи
месторождения выявлены трубчатые пустоты (каналы). Впервые они обнаружены на
СПКРУ-2 в пределах небольшой зоны замещения продуктивных пластов сильвинитовой
зоны на Поповском куполе (район подземной скв. 2081). Сечение каналов - овальное, реже
- щелевидное. Диаметр их составляет 1-2 см. В разрезе они приурочены к относительно
мощным (0,5-3,0 см) прослоям глинисто-ангидритового материала пластов А-Kpl и KpIKpII. Каналы встречаются как одиночные, так и группами по 2-3 штуки. Стенки каналов
гладкие, а глинистый материал на расстоянии 10-15 см от пустот осветлен.
Наличие перекристаллизованного пестрого сильвинита и небольших зон замещения
вблизи каналов свидетельствует о том, что по последним двигались водные растворы.
17
Изменчивость минерального состава продуктивных пород на более высоких уровнях
(уровни макротекстуры, текстуры и зерна) вызвана, прежде всего, макродисперсией
элементов потока на обеих стадиях миграции агрессивных растворов. Обычно выделяют
две схемы неоднородности среды, обуславливающих макродисперсию: упорядоченную и
неупорядоченную.
Упорядоченная неоднородность соляных пород обусловлена их слоистостью, при которой
растворы мигрируют, прежде всего, по более проницаемым слоям и прослойкам. В
слабопроницаемые слои вещество мигрирует путем диффузии поперек наслоения.
Неупорядоченная неоднородность среды обусловлена блоковым строением
слабопроницаемых пород, разделенных системой трещин различных размеров. По
трещинам происходит конвективный массоперенос вещества, а внутри блоков диффузионный.
При движении растворов по системам трещин часть растворов (возможно, значительная)
проникала в прослойки и тонкие пачки соленосных глин и формировала слоистые тела
вторичных пород. И наоборот, при основном типе фильтрации по схеме упорядоченной
неоднородности среды фильтрация части растворов осуществляется по секущим
локальным трещинам различного генезиса. В действительности, скорей всего, имела
место комбинация типов неоднородных сред, но с преобладанием того или иного типа
[64].
Таким образом, электрическими проводниками в солях служат низкоом-ные прослои и
тонкие пачки соленосных глин, межзерновые границы, макро-и микротрещины,
образовавшиеся в результате тектонических подвижек, гидроразрыва, выщелачивания,
образования полостей отслоения, по которым происходит конвективный массоперенос
вещества. При этом, как известно, незначительные изменения влагосодержания,
пористости и трещиноватости пород сопровождаются существенными изменениями их
электросопротивления.
В формировании электропроводности солевых пород определенную роль играют и
процессы ионизации вещества, обусловленной наличием эманации радия (222Rn - радон,
220Rn - торон), проникающих с больших глубин по системе
Список литературы