Оценка нарушенности скальных пород георадарным зондированием с использованием водонасыщения для контрастности

При открытой разработке рудных месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость бортов и уступов карьера, не допуская критических деформаций в течение всего периода строительства и эксплуатации карьера. Информация о состоянии пород приконтурного скального массива приобретает большое значение для локализации потенциально опасных участков, в пределах которых возможны потери устойчивости уступов различного характера. В свою очередь установлено, что на механическую устойчивость скального массива, помимо геолого-структурного строения, технологии разработки месторождений, темпа ведения горных работ, также существенно влияют гидрогеологические условия [1–3]. В зависимости от водонасыщения трещин и пор пород, слагающих отрабатываемое месторождение, устойчивость пород на обнажениях может быть различной.

В работах [4; 5] показано, что одним из методов изучения механического состояния и геологоструктурного строения массива горных пород может являться георадарное подповерхностное зондирование. Неоднократно было выявлено, что повышенная обводненность пород отражается в изменении регистрируемых волновых параметров, что свидетельствует об изменении физических свойств горных пород вследствие водонасыщения. Накопленный опыт дает основания утверждать, что георадарные измерения позволяют выполнять оперативный мониторинг степени водонасыщения пород посредством исследования изменения их физических свойств. Это особенно важно в период весеннего снеготаяния или обильных дождей, когда степень обводненности на некоторых участках существенно повышается [6–8]. С другой стороны, выявленная георадарным зондированием изменчивость физических свойств пород в условиях явной их обводненности предоставляет возможность для количественной оценки внутренней несплошности (трещиноватости, пористости, каверности) массива пород. Настоящее исследование направлено на выявление качественных и количественных зависимостей регистрируемых волновых характеристик от степени нарушенности исследуемых пород посредством их контрастного водонасыщения.

Материалы и методы

В качестве объекта исследований выбран рабочий уступ горизонта –35 западного борта карьера "Железный" АО "Ковдорский ГОК". По геологическому строению исследуемый участок сложен преимущественно ийолитами.

В целях определения строения и выявления структурной нарушенности участка уступа выполнено его комплексное обследование: визуальный осмотр; телеметрическое обследование нескольких буровых скважин (глубиной 18 м, диаметром 0,165 м), находящихся на расстоянии 5 м друг от друга; георадарное продольное зондирование вдоль скважин. Данные телеметрического обследования скважин и георадарного зондирования были подвергнуты комплексному анализу в пространственно-глубинной их увязке. На рис. 1 представлены взаимоувязанные по глубине данные визуального обследования и стоп-кадры телеметрии по скважине с условным номером № 1 (а), распределения количества трещин в скважине на 1 погонный метр (количественная характеристика интенсивности трещиноватости пород) (б) и фрагмент радарограммы георадарного зондирования, в изолиниях диэлектрической проницаемости пород у скважины (в).

Анализ гистограммы (рис. 1, б) показал, что количество трещин по глубине скважины изменяется от 2–4 трещин на метр в приповерхностной зоне (2–7 м) до 4–11 на интервале 8–11 м. Визуально на радарограмме георадарного зондирования (рис. 1, в) для глубин 8–11 м выделяется зона зеленого цвета, в пределах которой значения диэлектрической проницаемости пород равны и выше 8,6 ед.

а

б

в

Стоп-кадры телеметрии

2 м

Скважина № 1

Количествово трещин на п.м.

0 2 4 6 8 10 12

s c£ К s

8 м

Распределение трещин по глубине скважины № 1

14 м

Цветовая шкала значений (верхняя - v [см/нс], нижняя - Re(c)):

Рис. 1. Данные комплексных исследований пород участка уступа у скважины № 1 в пространственно-глубинной их увязке

Fig. 1. Data of complex studies of the rocks of the ledge section at No. 1 well in their spatial-depth linking

Радарограмма

Длина профиля, м

Таким образом, можно предположить, что определяемые георадарным зондированием значения диэлектрической проницаемости пород от 8,6 ед. и выше будут соответствовать породам повышенной трещиноватости. Вместе с тем полученные значения диэлектрической проницаемости пород по скважине несмотря на относительно большое количество трещин на глубине 8–11 м изменились незначительно: от 8,3 ед. в приповерхностной зоне до 8,6 ед. на глубине 8–11 м (принимаемая зона более нарушенных пород). Поэтому в целях получения более контрастных результирующих данных георадарного зондирования был выполнен налив воды в скважину № 1 и проведены режимные георадарные профилирования участка уступа по одному и тому же маршруту. Постепенное понижение уровня воды в скважине фиксировалось замерами во времени, совпадающими с временем режимного георадарного профилирования.

Анализ динамики уровня воды в скважине № 1 (рис. 2) позволил выявить два временных участка фильтрации: первый, весьма кратковременный участок графика 0 ≤ t ≤ 15 мин, на котором происходит быстрое понижение уровня воды (вследствие ее фильтрации в породы нарушенной приповерхностной части околоскважинного пространства), аппроксимировать который можно следующим выражением:

h = –0,13t,                                                 (1)

где величина достоверности аппроксимации R ² = 1, и второй, более плавный, в интервале 15 ≤ t ≤ 60 мин, по-видимому, вследствие установившегося режима фильтрации воды в породы, который можно аппроксимировать R ² = 0,99 следующим, практически линейным, выражением:

h = –0,02t – 1,8,                                              (2)

где h – уровень воды в скважине от поверхности, t – время после выполнения экспресс-налива.

Время измерений t, мин

Рис. 2. Динамика уровня воды в скважине № 1 после экспресс-налива Fig. 2. Dynamics of the water level in No. 1 well after the express filling

Результаты и обсуждение

Режимные георадарные зондирования участка пород в окрестности скважины № 1 были выполнены до налива и через 15, 30 и 60 мин после налива воды в скважину. Полученные радарограммы обработаны в программе Георадар-Эксперт, рассчитаны значения диэлектрической проницаемости пород (рис. 3).

б

а

Рис. 3. Распределение значений диэлектрической проницаемости в массиве горных пород до и после проведения экспресс-налива (а – 0; б – 15; в – 30; г – 60 мин) Fig. 3. Distribution of dielectric permittivity values in the rock massif after express filling (a – 0; б – 15; в – 30; г – 60 minutes)

в                         г

Анализ данных георадарного зондирования, представленных на рис. 3, показал, что после проведения налива водонасыщенность пород в окрестности скважины повысилась, что привело к регистрации повышенных значений диэлектрической проницаемости. Как видно из рис. 3, через 15 мин после проведения налива в скважину регистрируемые значения диэлектрической проницаемости, начиная с глубины 5 м, возросли и далее составляли от 8,6 ед. до 8,9 ед. на всем оставшемся интервале глубины скважины № 1. Спустя 30 мин произошло резкое уменьшение регистрируемых значений диэлектрической проницаемости до значений 8,2–8,6 ед. на интервале глубин 10–18 м, вместе с тем как в интервале 6–8 м значения диэлектрической проницаемости остались практически без изменений. Измерениями, выполненными через час (60 мин), было определено, что уровень регистрируемой диэлектрической проницаемости приблизился к значениям 7,8–8,6 ед., полученным до проведения налива в скважину. Изменения значений диэлектрической проницаемости до 0,4 ед. в сторону уменьшения на глубине 12–16 м могут свидетельствовать о вымывании водой заполнителя трещин, замещения минеральных частиц пород или уплотнения при некотором смыкании трещин [9; 10]. По данным телеметрического обследования (рис. 1, б) этот участок характеризуется относительно большим количеством трещин: 7–8 на погонный метр.

Выполненная георадарным зондированием оценка нарушенности скальных пород уступа карьера с использованием водоналива в скважину для контрастности измерений показала, что сухие/монолитные, слаботрещиноватые породы будут иметь более низкие значения диэлектрической проницаемости, а насыщенные водой, пористые, проницаемые, трещиноватые породы – более высокие значения диэлектрической проницаемости.

Для оценки фильтрационной способности пород в окрестности скважины № 1, имеющей диаметр 0,165 м и глубину 18,3 м, по данным налива вычислен коэффициент фильтрации, среднее значение которого составило 0,011 м/сут.

Коэффициент фильтрации определялся по методике Шестакова В. М. [11]:

k = 2,3 ⋅ (ω / l 0 ) ⋅ lg(H 0 / H), (3)

где ω – площадь горизонтального сечения скважины, l ₀ – расчетный размер водоприемной части скважины, который для скважины с фильтром длиной l и радиусом r равен:

l 0 = 2,73l / lg(0,7l / r). (4)

Анализ диаграммы прослеживания коэффициента фильтрации (рис. 4) позволил сопоставить изменение коэффициента фильтрации со значениями диэлектрической проницаемости во временных интервалах 15, 30 и 60 мин. Значения диэлектрической проницаемости на радарограмме (рис. 3) в интервале глубин 5–18 м максимально увеличились через 15 мин после налива воды в скважину на 0,6 ед. в интервале 8,6–8,9 ед., в свою очередь средний коэффициент фильтрации здесь максимален и составляет k = 0,024 м/сут. Далее коэффициент фильтрации равномерно уменьшается на протяжении всего цикла измерений. Через 30 мин значения диэлектрической проницаемости на глубине 5–18 м (рис. 3) уменьшились и лежат в интервале 8,4–8,7 ед., также и среднее значение коэффициента фильтрации уменьшилось и составило k = 0,015 м/сут. Через 60 мин после налива значения диэлектрической проницаемости приблизились к значениям, полученным до проведения налива в скважину, коэффициент фильтрации k = 0,0011 м/сут. Таким образом, выполненный анализ показал, что согласно классификации горных пород [12] по степени водопроницаемости породы относятся к IV категории: слабопроницаемые или полупроницаемые с коэффициентом фильтрации k < 0,1 м/сут.

Рис. 4. Диаграмма временного прослеживания коэффициента фильтрации Fig. 4. Temporary tracking of the filtration coefficient

Для определения пустотности (П) рассмотрим массив скальных пород в форме цилиндра диаметром 10 м, глубиной 18,3 м и скважиной № 1 в центре, в которую осуществлялся налив. Объем V породы цилиндра с водой в скважине № 1 составил 1436,55 м ³ , через 15 мин после налива уровень воды уменьшился на два метра, таким образом, объем воды, заполнивший трещины и поры вмещающих скальных пород, составил 0,043 м ³ . Отношение объема воды во времени к общему объему исследуемого участка отражает состояние пустотности массива пород в определенный момент времени по глубине. На рис 5, а представлено изменение пустотности через 15, 30 и 60 мин.

Рис. 5. Диаграмма временного прослеживания пустотности (а) и значений диэлектрической проницаемости в массиве пород (б) Fig. 5. Diagram of time tracking of voidness (а) and dielectric constant values in the rock mass (б)

Анализ диаграммы временного прослеживания пустотности в скважине № 1 (рис. 5, а) позволил выявить два временных участка: первый, весьма кратковременный участок графика 0 ≤ t ≤ 15 мин, на котором происходит значительное увеличение значений пустотности от 1·10 ^–5 до 3·10 ^–5 ед., аппроксимировать R ² = 0,88 который можно следующим выражением:

П = 2·10 ^–6 t + 9·10 ^–6 , (5)

и второй, более плавный, в интервале 15 ≤ t ≤ 60 мин, по-видимому, вследствие установившегося режима фильтрации воды в породы (рис. 2), который можно аппроксимировать R ² = 0,97 следующим, практически линейным, выражением:

П = 3·10 ^–7 t + 3·10 ^–5 , (6)

где П – пустотность, t – время после выполнения экспресс-налива.

В свою очередь, значения диэлектрической проницаемости после проведения налива в скальную породу показали тенденцию к увеличению на протяжении всего времени наблюдений (рис. 5, б) и описываются выражением:

ε = 0,0086t + 8. (7)

Таким образом, вода, налитая в скважину в скальных породах, перемещаясь по трещинам и порам, позволила определить пустотность и контрастное изменение диэлектрической проницаемости скальных пород под действием водонасыщения.

По рассчитанным значениям диэлектрической проницаемости пород (рис. 3) построены графики их изменчивости по оси скважины (рис. 6).

а

б

Изменение диэлектрической проницаемости по скважине №1

Приращение диэлектрической проницаемости по скважине №1 после налива

7,7 7,9 8,1   8,3 8,5 8,7 8,9

Рис. 6. Зависимости значений диэлектрической проницаемости пород у скважины (а) и их приращений (б) Fig. 6. Dependencies of dielectric permittivity of rocks at the well (a) and their increments (б)

Как видно из риc. 6, а, после проведения налива скважины № 1 образовалось несколько зон, разделенных пунктирными линиями, которые в определенной степени характеризуют этот участок массива пород. На интервале глубин 0–1,8 м, выделяемых как приповерхностная зона, особых изменений в значениях диэлектрической проницаемости для t = 0 и после проведения налива t > 0 не происходит. На следующем интервале 1,8–5 м идет постепенное увеличение значений диэлектрической проницаемости для всех временных интервалов, что может быть связано с изменением свойств породы по глубине. Интервал 5–6,2 м соответствует максимальным значениям диэлектрической проницаемости до проведения налива в скважину № 1, что соответствует трещиноватому массиву. На глубине 6,2–12 м максимальные изменения значений диэлектрической проницаемости (до 0,6 ед.) произошли после налива воды через 15 мин. По мере понижения уровня воды в скважине и ее распространения в околоскважинном пространстве картина изменения диэлектрической проницаемости меняется. Через 30 мин в интервале глубин 12–16 м произошло небольшое падение значений диэлектрической проницаемости до 0,2 ед., с сохранением высоких значений до 0,6 ед. на глубине 9,5 м. На интервале 16–18 м значения диэлектрической проницаемости изменились незначительно. В слабопроницаемых породах вода по трещинам и порам, вымыв возможный заполнитель, распространилась практически везде, в интервале глубин 2–12 м повсеместно значения диэлектрической проницаемости увеличились, тем самым позволив более детально определить степень нарушенности пород.

На рис. 6, б представлено изменение (отклонение) зарегистрированной диэлектрической проницаемости после налива воды в скважину, где за исходное состояние массива взято значение диэлектрической проницаемости при t = 0, т. е. до налива воды в скважину. Изменение значений диэлектрической проницаемости на 0,5 ед. в интервале глубин 8–10 м коррелирует с исходным водонасыщением массива скальных пород по трещинам, что подтверждается данными телеметрического обследования скважины № 1 до проведения налива (рис. 1, б), где на 8 и 11 метре скважины отмечается большое количество увлажненных трещин на погонный метр (10–11 шт).

Заключение

Проведенные исследования позволили выявить влияние воды на результаты георадарного зондирования, а также определить категорию пород по степени водопроницаемости. Установлено, что вода является индикатором, который позволяет более контрастно выявлять зоны нарушенности пород, ввиду относительно незначительной разности диэлектрической проницаемости в естественном ненарушенном и нарушенном массиве. Определена взаимосвязь структурной нарушенности пород и их диэлектрической проницаемости под действием водонасыщения пород. Проведенный анализ позволил выявить количественное влияние воды как фактора определения неоднородности. Целенаправленный налив в скважину показал резкое изменение контрастности диэлектрических свойств в массиве пород. Полученные выводы и значения диэлектрической проницаемости позволяют создать основу для определения сезонного воздействия природных факторов на состояние массива скальных пород, а также выявлять тенденции его изменения, имеющие немаловажное значение в арктических климатических условиях.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ, проект № 18-05-00563а.