Применение комплекса геофизических методов для оценки физико-механических свойств горных пород при разработке асбеста

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия; e-mail: , ORCID:

Зуев П. И. Применение комплекса геофизических методов для оценки физико-механических свойств горных пород при разработке асбеста. Вестник МГТУ. 2026. Т. 29, № 2. С. 228–236. DOI:

Institute of Mining of Ural Branch of RAS, Yekaterinburg, Russia; e-mail: , ORCID:

Zuev, P. I. 2026. Geophysical assessment of physical and mechanical properties of rock masses in chrysotile asbestos mining. Vestnik of MSTU, 29(2), pp. 228–236. (In Russ.) DOI: 10.21443/1560-9278-2026-29-2-228-236.

Оптимизация параметров буровзрывных работ (БВР) на горнодобывающих предприятиях является ключевым фактором обеспечения требуемого гранулометрического состава взорванной горной массы и минимизации выхода некондиционных фракций. В современной литературе предложены различные подходы к совершенствованию технологии БВР: корректировка зарядов и схем инициирования по результатам предшествующих взрывов ( Абдулкасимов, 2006 ), оптимизация геометрии скважинной сетки и последовательности взрывания ( Шубин и др., 2007 ), применение специальных конструкций зарядов ( Румянцев, 2013 ) и др. Однако большинство указанных методов базируются на усредненных представлениях о свойствах горного массива и не учитывают его локальную неоднородность. Развитая трещиноватость и высокая степень структурных нарушений в породном массиве становятся доминирующими предпосылками возникновения негабарита в случае применения унифицированных технологий бурения и заряжания. Наиболее достоверным способом оценки структурного состояния пород является бурение с отбором керна; тем не менее регулярное применение данного метода в производственных условиях экономически нецелесообразно из-за значительного увеличения трудоемкости и сроков выполнения работ. Альтернативный подход – анализ параметров обратной связи при бурении – позволяет косвенно судить о состоянии массива, но не обеспечивает заблаговременного прогнозирования его свойств до начала взрывных операций.

Перспективным решением данной задачи является разработка и апробация комплексной методики геофизической диагностики, сочетающей достаточную точность оценки физико-механических свойств пород с оперативностью получения данных при заблаговременном обследовании участков предстоящих взрывов ( Vedernikov et al., 2020 ). Принципиальная новизна предлагаемого подхода заключается не просто в применении нескольких методов параллельно, а в разработке алгоритма их синергетического комплексирования, при котором каждый метод компенсирует ограничения других. Так, сейсморазведка обеспечивает высокую точность определения упругих параметров, но имеет ограниченную разрешающую способность в условиях высокой трещиноватости; электротомография обладает лучшей разрешающей способностью по латерали и чувствительна к изменениям влажности и минерализации; метод вызванной поляризации выявляет зоны окисления и гидротермальных изменений, которые не всегда отчетливо проявляются в сейсмических и резистивиметрических данных. Интеграция этих методов позволяет использовать результаты одного метода в качестве априорной информации при интерпретации другого, что повышает надежность реконструкции пространственного распределения ключевых механических параметров горного массива.

Геофизическая диагностика обеспечивает выявление зон с резкими контрастами физических полей, локализацию структурных нарушений и оценку локальной неоднородности, непосредственно влияющих на результативность БВР ( Ronczka et al., 2017; Григорьев и др., 2019; Park et al., 2016 ).

Научная новизна исследования состоит в разработке алгоритма расчета динамического модуля Юнга и коэффициента Пуассона путем совместной интерпретации многокомпонентных геофизических данных, полученных в едином полевом цикле. Впервые демонстрируется механизм синергетического взаимодействия трех методов: как электротомография уточняет сейсмические границы, как вызванная поляризация выявляет деградационные процессы в породах и как совместная интерпретация всех трех методов позволяет достичь 15–20 % повышения достоверности по сравнению с монометодными подходами. Впервые на примере месторождения хризотилового асбеста продемонстрирована эффективность интегрированного геофизического подхода для адаптивной оптимизации параметров буровзрывных работ с учетом локальной неоднородности массива.

Исследование направлено на выявление наиболее эффективной геофизической методики для экспресс-диагностики прибортового пространства карьера перед проведением взрывных операций. Сравнительный анализ информативности и трудоемкости сейсмических, резистивиметрических и поляризационных методов показал, что ни один из них в отдельности не обеспечивает полной характеризации массива: сейсморазведка дает точные значения упругих модулей, но слабо чувствительна к окислению пород; электротомография выявляет литологические границы и зоны выветривания, но не дает прямой информации об упругих свойствах; вызванная поляризация диагностирует гидротермальные изменения, но требует дополнительной информации для оценки механической прочности. Разработанный алгоритм расчета ключевых механических параметров горного массива – в частности, модуля упругости (Юнга) и коэффициента поперечной деформации (Пуассона) – реализуется путем совместной интерпретации многокомпонентных геофизических данных, при которой каждый метод поставляет информацию, недостающую другим методам.

Исследования были проведены на Житикаринском месторождении хризотил-асбеста (Костанайская обл., Казахстан), разрабатываемом открытым способом. Специфика месторождения определяется его расположением в пределах глубинного регионального разлома, это объясняет высокую геодинамическую активность. Горный массив месторождения характеризуется выраженной неоднородностью физикомеханических свойств. Данная особенность обусловливает формирование на бортах карьера многочисленных зон нарушенного состояния, проявляющихся в виде участков дезинтеграции пород, повышенной интенсивности трещиноватости и зон тектонического рассланцевания.

В таких условиях оптимизация параметров рудоподготовительных взрывных работ вступает в противоречие с требованиями к устойчивости бортов карьера, что создает необходимость поиска компромиссных технических решений ( Жуков и др., 2015 ). Предлагаемая комплексная методика позволяет разрешить это противоречие путем детальной геофизической характеризации массива и адаптивной корректировки проектных решений в соответствии с выявленной неоднородностью.

Материалы и методы

Принципы комплексирования геофизических методов

Разработанный подход к комплексированию основан на иерархической интеграции методов с использованием результатов одного метода в качестве априорной информации для других. На первом этапе проводится электротомографическое обследование, которое обеспечивает высокую латеральную разрешающую способность и выявляет основные литологические границы и зоны нарушений. На втором этапе сейсмическое зондирование уточняет упругие параметры, при этом выделенные электротомографией границы используются как опорные горизонты для кинематической обработки сейсмических данных. На третьем этапе метод вызванной поляризации диагностирует зоны окисления и гидротермальных изменений, которые коррелируют с ослабленными участками, выявленными сейсморазведкой. Синергетический эффект достигается за счет того, что:

• 1)    электротомография уточняет глубины сейсмических границ, снижая неоднозначность интерпретации сейсмических годографов в условиях сложного строения;

• 2)    сейсморазведка обеспечивает количественные значения упругих модулей, которые используются для калибровки электротомографических разрезов;

• 3)    вызванная поляризация выявляет деградационные процессы в породах, которые проявляются в виде локального снижения модулей упругости и увеличения электрического сопротивления.

Электротомография и метод вызванной поляризации

Электротомография относится к группе электроразведочных технологий, ориентированных на пространственную визуализацию электрических параметров геологической среды. При реализации в формате двумерного профилирования метод обеспечивает построение псевдоразрезов, отражающих латеральную изменчивость удельного сопротивления пород и величины вызванной поляризации ( Ronczka et al., 2017 ). Переход к трехмерной модификации позволяет перейти от плоскостной интерпретации к восстановлению пространственной структуры распределения указанных физических характеристик в объеме массива ( Martínez-Moreno et al., 2014 ).

Этап полевых испытаний стартовал с апробации двумерной схемы измерений. Критерием качества контакта измерительных электродов с поверхностью породы служило значение контактного сопротивления, которое должно было составлять менее 5 кОм для минимизации погрешностей регистрации ( Li et al., 2015 ). В условиях открытой разработки асбестоносного месторождения требуемые показатели обеспечивались на подавляющем большинстве точек наблюдения; лишь единичные станции, приуроченные к выходам родингитов, демонстрировали повышенное сопротивление контакта. Визуализация результатов измерений вдоль профиля, пересекающего родингитовую интрузию, представлена на рис. 1 и 2.

Apparent polarizabiity data

5   10 1S 20   25   30   35   40   45   50 55 60   65 70   75 80   «5   90   95 100 105 110 115 120 125 130 135 Km

Рис. 1. Пример полученных значений кажущейся поляризуемости на различных разносах, где η _a – коэффициент ВП, %; X_m – длина профиля, м (автор: Ведерников А. С., ИГД УрО РАН) Fig. 1. Example of measured apparent chargeability values at different electrode spacings, where η _a is the induced polarization (IP) coefficient, %; X m is the profile length, m

(author: Vedernikov A. S., Institute of Mining, Ural Branch of RAS)

Подача электрического тока в грунт посредством заземленных токовых электродов вызывает формирование поля потенциалов, конфигурация которого определяется пространственной неоднородностью распределения удельного электрического сопротивления вмещающих пород. Регистрация параметров поля осуществляется системой потенциальных электродов, образующих совместно с токовыми цепь измерения ( Григорьев и др., 2019 ). В средах со сложным строением – в частности, при отклонении от модели горизонтальной слоистости – применение томографических алгоритмов реконструкции оказывается предпочтительнее традиционных электроразведочных схем, поскольку позволяет минимизировать неоднозначность результатов интерпретации. Подобная геологическая обстановка характерна для участков с выраженной тектонической дислокацией, рудной минерализацией, карстовыми полостями, оползневыми телами, антропогенными насыпями, а также на высоко урбанизированных территориях.

Рис. 2. Пример полученных значений УЭС на различных разносах, где ρ _a – величина УЭС, Ом·м;

X m – длина профиля, м (автор: Ведерников А. С., ИГД УрО РАН)

Fig. 2. Example of measured apparent resistivity values at different electrode spacings, where ρ a is the apparent resistivity, Ω·m; X m is the profile length, m (author: Vedernikov A. S., Institute of Mining, Ural Branch of RAS)

Процедура интерпретации реализуется в рамках двумерных или трехмерных численных моделей; достоверность получаемой картины напрямую коррелирует с плотностью сети наблюдений (стандартная практика предполагает регистрацию нескольких тысяч измерений на профилях протяженностью 100–200 м). В рассматриваемом исследовании была выбрана двумерная постановка задачи ввиду малого интервала между соседними профилями (не более 5 м), что делало трехмерную инверсию избыточной с точки зрения информативности1.

Полевой этап выполнялся с применением комплекса, состоящего из специализированного оборудования, включающего: электроразведочный генератор ВП-1000, измеритель электроразведочный SGD-EET MEDUSA, автоматический коммутирующий модуль CommDD2-64, комплект кабельных кос и металлических штыревых электродов. Профили формировались последовательными расстановками, состоящими из 32 или 64 электродов, с межэлектродным интервалом 3–5. Запись производилась полуавтоматически, по заранее запрограммированным последовательностям коммутации. Для более надежной записи данных использовалась комбинация из двух установок: дипольно-осевой (характеризующейся увеличенной глубиной зондирования) и модифицированной установки Шлюмберже (отличающейся устойчивостью к влиянию поверхностных аномалий). Использованный комплекс оборудования показал эффективность при изысканиях на стесненном пространстве борта карьера.

Интерпретация опиралась на априорные геологические данные, полученные исследованием керна (состав пород, трещиноватость, сланцеватость, ожелезненность, рудоносность, крепость, водопроницаемость). 2D-инверсия реконструировала распределение УЭС и ВП (рис. 3, 4), где диапазоны параметров коррелировали с типами пород и их крепостью (Ronczka et al., 2017). Полученные разрезы хорошо согласовались с геологическими данными. Однако на этом этапе электротомографические разрезы использовались лишь для предварительной идентификации литологических границ, уточнение глубин и углов падения этих границ проводилось на последующих этапах с привлечением сейсмических данных.

Рис. 3. Пример результатов двумерной инверсии на опытном профиле – разрез поляризуемости, где η _a – коэффициент ВП, %; Z_m – глубина разреза, м; X_m – длина профиля, м.

Геологические скважины обозначены вертикальными штрих-линиями

(автор: Григорьев Д. В., ИГД УрО РАН)

Fig. 3. Example of 2D inversion results along a test profile – chargeability cross-section, where η a is the induced polarization (IP) coefficient, %; Z m is the section depth, m; X m is the profile length, m. Boreholes are shown as vertical dashed lines (author: Grigoriev D. V., Institute of Mining, Ural Branch of RAS)

Рис. 4. Пример результатов двумерной инверсии на опытном профиле – разрез УЭС, где ρ m – УЭС, Ом·м; Z m – глубина разреза, м; X m – длина профиля, м. Геологические скважины обозначены вертикальными штрих-линиями (автор: Григорьев Д. В., ИГД УрО РАН)

Fig. 4. Example of 2D inversion results along a test profile – resistivity cross-section, where ρ m is the resistivity, Ω·m; Z m is the section depth, m; X m is the profile length, m. Boreholes are shown as vertical dashed lines

(author: Grigoriev D. V., Institute of Mining, Ural Branch of RAS)

Сейсмическое зондирование и его интеграция с электротомографией

Завершающим этапом полевого комплекса изысканий явилась регистрация преломленных сейсмических волн. Для реализации метода преломленных волн (МПВ) вдоль каждой линии наблюдения размещалась линейная система приемников, объединенных в единую измерительную цепь посредством многоканальной косы ( Ведерников и др., 2016 ). Источниками упругих колебаний служили импульсные поверхностные возбудители: металлическая кувалда (6 кг) либо падающий груз (80 кг). В процессе записи фиксировались временные интервалы прихода головных волн двух типов – компрессионных ( P ) и сдвиговых ( S ). Полученные годографы подвергались кинематической обработке с определением скоростей распространения продольных ( Vp ) и поперечных ( Vs ) волн, на основе которых строились скоростные разрезы. Ключевым отличием от стандартной обработки явилось использование электротомографических разрезов в качестве априорной информации: выделенные электротомографией литологические границы использовались как опорные горизонты при пикировке первых вступлений, что снизило неоднозначность интерпретации сейсмических годографов на 25–30 % по сравнению с обработкой без априорной информации. Корреляция выделенных на разрезах сейсмоакустических границ с литологическими особенностями разреза осуществлялась с привлечением априорной геологической информации.

Измерения велись по встречным и нагоняющим годографам на 24-канальной станции (шаг 2 м, длина расстановки 46 м, 9 пунктов возбуждения, max ПВ-ПП 64,4 м) с вертикальными приемниками и накоплением на дальних точках для улучшения соотношения сигнал/шум. Обработка: загрузка с геометрией, фильтрация, пикировка первых вступлений, обратное моделирование сейсмических данных с применением градиентного алгоритма реконструкции скоростного разреза (Рязанцев, 2018).

На основании измеренных величин скоростей продольных ( Vp ) и поперечных ( Vs ) волн вычислялся коэффициент Пуассона μ по стандартной зависимости

Ц =

0,5 - R ²

1 - R²  ’

где параметр R, определяемый как отношение скорости поперечной упругой волны (Vs) к скорости продольной волны (Vp), служит индикатором деформационной способности горного массива и выступает промежуточной величиной при расчете динамического модуля упругости.

Значения плотности горных пород устанавливались комплексно – на основе фоновых геологических сведений, данных электротомографии (удельное электрическое сопротивление) и скоростных характеристик сейсмических волн ( Zhou et al., 2018 ). Учитывая ограниченную разрешающую способность метода преломленных волн в условиях сложного строения карьерного откоса, приоритет в интерпретации был отдан результатам электроразведочной томографии.

Динамический модуль Юнга (E д ) рассчитывался по классическому соотношению теории упругости

2  (1 + ц)(1 -2ц)

Ед = VpР (1 -ц)    , где μ – показатель поперечной деформации (коэффициент Пуассона); ρ – объемная масса горных пород, кг/м3; Vp – фазовая скорость распространения продольных волн.

На основании полученных распределений динамического модуля упругости были построены скоростные разрезы (пример на рис. 5), которые подверглись сопоставительному анализу с классификацией пород по шкале крепости. Критическим этапом комплексирования явилось сравнение скоростных разрезов модуля Юнга с электротомографическими разрезами УЭС и ВП: выявлено, что зоны пониженного сопротивления (выветрелые серпентиниты) коррелируют с зонами пониженного модуля Юнга, а зоны повышенной поляризуемости (окисленные участки) совпадают с участками локального снижения упругих параметров на 15–25 %. Эта корреляция позволила выявить дополнительные ослабленные участки, которые не были явно выражены в отдельных методах, но проявились в комплексной интерпретации.

Рис. 5. Визуализация вертикального сечения исследуемого горного массива с пространственным распределением динамического модуля упругости (модуля Юнга), представленная в виде изолиний с наложением градиентной расцветки

Fig. 5. Example of a vertical cross-section through the rock mass showing the spatial distribution of Young's modulus values (MPa) visualized using a continuous colour gradient scale

Результаты интерпретации переданы в производственный отдел для внесения корректив в технологические параметры буровзрывных операций на обследованных участках карьерного пространства.

Результаты и обсуждение

Апробация комплексного геофизического подхода на карьере Житикаринского месторождения хризотилового асбеста продемонстрировала значительное преимущество интегрированной интерпретации над однометодными подходами.

Сравнительный анализ показал следующее:

• 1.    Электротомография в отдельности: обеспечивает высокую латеральную разрешающую способность (3–5 м) и выявляет литологические границы и зоны выветривания, однако не дает прямой информации об упругих свойствах пород. На участках с высокой влажностью выявленные границы УЭС могут быть обусловлены изменениями влажности, а не литологией. Погрешность определения глубин границ составляет ±2–3 м.

• 2.    Сейсморазведка в отдельности: обеспечивает точное определение упругих модулей (погрешность ±3–5 %). Однако имеет ограниченную разрешающую способность в условиях высокой трещиноватости

• 3.    Вызванная поляризация в отдельности: выявляет зоны окисления и гидротермальных изменений, однако не дает количественной информации о механической прочности пород, требует дополнительной информации для связи между поляризуемостью и упругими параметрами.

• 4.    Комплексное применение всех трех методов: электротомография выявляет литологические границы и используется как априорная информация для сейсморазведки. Сейсморазведка уточняет глубины границ, выделенных электротомографией, и обеспечивает количественные значения упругих модулей. Вызванная поляризация диагностирует деградационные процессы, которые коррелируют с локальным снижением модулей упругости. Использование электротомографических разрезов в качестве априорной информации при обработке сейсмических данных снизило неоднозначность интерпретации на 25-30 %. Корреляция между зонами пониженного УЭС и пониженного модуля Юнга составила r = 0,87-0,92, что подтвердило синергетический эффект комплексирования.

и сложного строения. В условиях Житикаринского месторождения метод преломленных волн не обнаружил многие тонкие структурные нарушения, которые были выявлены электротомографией. Неоднозначность интерпретации сейсмических годографов в условиях отсутствия априорной информации о границах составляла ±1-2 м по глубине.

На основе интерпретации геофизических разрезов установлены следующие диапазоны физико -механических параметров:

• -    динамический модуль Юнга (Е _д ): 1) серпентиниты неизмененные: 45-65 Гпа; 2) серпентиниты с повышенной трещиноватостью: 25-40 Гпа; 3) зоны рассланцевания и дезинтеграции: 8-18 Гпа; 4) родингитовые дайки: 70-95 Гпа;

• -    коэффициент Пуассона (р): 1) компетентные породы: 0,22-0,28; 2) нарушенные зоны: 0,30-0,35. Удельное электрическое сопротивление (р): 1) свежие серпентиниты: 500-2 000 Ом-м; 2) выветрелые серпентиниты: 100-400 Ом^м; 3) родингиты: 2 500-5 000 Ом^м;

• -    коэффициент вызванной поляризации (п): 1) интактные породы: 1-3 %; 2) зоны с окислением и гидротермальными изменениями: 5-12 %.

Пределы применимости метода:

• 1)    глубинность зондирования: 20-30 м при межэлектродном расстоянии 3-5 м и количестве электродов 32-64 шт.;

• 2)    разрешающая способность: 3-5 м по латерали (определяется шагом электродов), 2-3 м по вертикали (в верхней части разреза);

• 3)    ограничения: метод неэффективен в условиях высокой минерализации грунтовых вод (р < 10 Ом^м) и при наличии металлических включений. На участках с контактным сопротивлением > 10 кОм качество данных существенно снижается.

Интеграция полученных результатов в проектные решения по буровзрывным работам позволила:

• 1)    снизить выход негабарита (кусков >1 м) на 18-24 % на участках с выявленными зонами нарушенного состояния благодаря локальной корректировке параметров заряжания;

• 2)    уменьшить избыточное дробление (фракция < 50 мм) на 12-16 % путем адаптации схем инициирования к жесткости массива;

• 3)    повысить производительность буровзрывных работ на 8-11 % за счет сокращения времени на переработку некондиционных фракций;

• 4)    сократить затраты на переработку избыточно дробленой массы на 8-12 %.

Комплексирование геофизических методов (сейсморазведки, электротомографии и метода вызванной поляризации) продемонстрировало синергетический эффект: результаты одних методов использовались в качестве априорной информации при интерпретации данных других, что повысило достоверность оценки физико-механических свойств пород на 15-20 % по сравнению с применением отдельных методов.

Заключение

Разработанная комплексная методика геофизической диагностики на основе электротомографии, сейсморазведки и метода вызванной поляризации обеспечивает оперативное получение данных о деформационно-прочностных характеристиках породного массива бортов карьера. Ключевым преимуществом разработанного подхода является алгоритм синергетического комплексирования, при котором результаты каждого метода компенсируют ограничения других: электротомография уточняет сейсмические границы, сейсморазведка обеспечивает количественные упругие параметры, вызванная поляризация выявляет деградационные процессы.

Внедрение полученных геофизических данных в проектные решения по буровзрывным работам обеспечивает адаптивную оптимизацию их параметров с учетом реальной неоднородности массива.

Методика успешно апробирована на Житикаринском месторождении хризотилового асбеста и рекомендована к внедрению в технологический цикл горных работ предприятия. В настоящее время в соответствии с утвержденной программой развития осуществляется ее промышленная апробация и масштабирование на объектах месторождения с целью обеспечения стабильного повышения качества горных работ и безопасности производства.

Работа выполнена в рамках государственного задания № 075-00408-26-00, № гос. рег. 123012300007-7. Тема 3 (2025-2027) "Выявление закономерностей развития геодинамических процессов в условиях техногенного преобразования недр и разработка мер по повышению безопасности горного производства (FUWE-2025-0003)".