Геофизическая идентификация водопроницаемости геодинамических зон угленосной толщи в связи с ликвидацией шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 551.837.2:551.243.1

Геофизическая идентификация водопроницаемости геодинамических зон угленосной толщи в связи с ликвидацией шахт

М.С. Заборин, Л.А. Иванов, А.В. Савченко, А.Н. Хромов

Заборин М.С. - ассистент кафедры геологии Донецкого национального технического университета. Контактный телефон - +38 (095) 092-70-50 e-mail: meshkaz@rambler.ru

Иванов Л.А. - старший научный сотрудник, Украинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ) НАН Украины, к.г.-м.н.

Савченко А.В. - старший научный сотрудник, Украинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ) НАН Украины, к.г.-м.н.

Хромов А.Н. - ассистент кафедры геологии Донецкого национального технического университета

Приведены результаты одного из этапов исследований влияния геодинамических зон на формирование геолого-экологическиой обстановки при ликвидации угольных шахт. Геофизическими методами ЕИЭМПЗ, СГДК-А установлена водопроницаемость изучаемых тектонических структур, что позволяет выделить участки с первоочередным проявлением процессов подтопления и заболачивания в пределах полей шахт Брянковской группы (Луганская область).

Ключевые слова: ликвидация шахт, угленосная толща, геодинамические зоны, водопроницаемость, геофизические методы ЕИЭМПЗ, СГДК-А, подтопление и заболачивание

геодинамический зона шахта подтопление

Наведено результати одного з етапів досліджень впливу геодинамічних зон вугленосної товщі при ліквідації шахт. Геофізичними методами ПІЕМПЗ, СГДК-А встановлено водопроникність тектонічних структур, що досліджуються, що дозволяє виділити ділянки з першочерговим проявом процесів підтоплення та заболочення в межах полів шахт Брянківської групи (Луганська область).

Ключові слова: ліквідація шахт, вугленосна товща, геодинамічні зони, водопроникність, геофізичні методи ПІЕМПЗ, СГДК-А , підтоплення й заболочення.

There are results of reasearches of influence coal-bearing series geodynamical zones on forming geoecological situation under coal mines abandon. The water permeability of researching tectonical structures is established by geophysical methods of NPEMFE, SGM-A, that is allowed to pick out zones with prime display of processes of underflooding and bogging in the limits of Bryankovskaya mine fields (Lugansk district)

Ключевые слова: abandon of mines, coal-bearing series, geodynamical zones, water permeability, geophysical methods of NPEMFE, SGM-A, underflooding and bogging.

Достоверная оценка геолого-экологических последствий ликвидации угольных шахт по-прежнему является актуальной задачей. К одной из важнейших проблем относится прогнозирование процессов подтопления и заболачивания, обусловленных восстановлением естественных уровней подземных вод (УПВ). Как показывает практика, эффективность подходов, применяемых в настоящее время для решения данных вопросов, недостаточна. Вследствие этого в пределах полей ликвидированных шахт сложилась напряженная геолого-экологическая обстановка.

Решение указанных проблем, по нашему мнению, невозможно без применения геодинамической концепции. Согласно концепции вся земная кора повсеместно разбита на блоки различных размеров и тектонической активности. Границами между блоками земной коры являются геодинамические зоны (ГДЗ), представленные различными разрывными структурами [1,2]. В зависимости от природы возникновения, сил определяющих их активность, ГДЗ могут обеспечивать повышенную фильтрацию как природных, так и техногенных загрязненных вод [3,4]. В условиях восстановления естественных уровней подземных вод (УПВ) после остановки водоотлива ГДЗ могут служить первоочередными путями миграции подземных вод и, следовательно, предопределять места развития процессов подтопления и заболачивания [5]. Очевидно, что на поведение УПВ, скорость водоподъема на различных участках шахтного поля, будут оказывать влияние количество ГДЗ, их природа, а также их мощность, протяженность в плане и на глубину.

В пределах полей шахт Брянковской группы (Луганская область) выполнены исследования по изучению геодинамического строения, определению водопроницаемости ГДЗ и оценке их возможного влияния на развитие процессов подтопления и заболачивания.

Участок исследований характеризуется складчатым залеганием толщи с углами падения до 50о. В геологическом разрезе преобладают песчано-глинистые породы с подчиненным значением пластов известняков и углей среднего карбона. Простирание пород угленосной толщи, а также разрывных нарушений, представленных надвигами, субширотное.

Путем дешифрирования космических снимков получены дополнительные сведения о тектоническом строении горного массива, в том числе и о закономерностях распространения планетарной трещиноватости (рисунок 1) [6,7].

На водопроницаемость и степень активности выделенных разрывов, сформировавшихся в герцинскую и киммерийскую тектонические эпохи, на современном этапе оказывают влияние тектонические силы, связанные с альпийским циклом орогенеза [8]. Указанные параметры предварительно оценивались путем реконструкции полей тектонических деформаций и напряжений альпийского цикла [8]. Результаты исследований, основанные на данных обработки массовых замеров трещиноватости, позволили установить, что наиболее активными являются ГДЗ субширотной (СШ), субмеридиональной (СМ), а также диагональной - северо-восточной (СВ) 45о ориентировок [8]. Наиболее проницаемыми являются структуры северо-западного (СЗ) 340о простирания, а также разрывы, сопряженные с крупными разломами и являющиеся отрывами [8]. Выделенные структуры СВ 10-45о, 60-75о, 310-320о относятся к «полупроницаемым», СШ и СЗ 310-320о - к малопроницаемым [8].

Рисунок 1. Зонально-блочное строение участка исследований по данным дешифрирования космических снимков масштаба 1:5000 и расположение геофизических профилей:

1 - песчаник; 2 - известняк: а - закартированный; б - построенный; 3 - разрывные нарушения; 4 - гидрографическая сеть; 5 - линеаменты первого порядка; 6 - проницаемые разломы; 7 - «полупроницаемые» разломы; 8 - непроницаемые разломы; 9 - геофизические профили.

Достоверность результатов дешифрирования космических снимков, а также интерпретации тектонических процессов оценивалась полевыми геофизическими методами естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) и структурно-геодинамического картирования (азимутальный) - СГДК-А (см. рис.1).

Метод ЕИЭМПЗ основан на регистрации естественной импульсной электромагнитной эмиссии, зависящей от деформаций пород, возникающих под действием полей напряжений. Позволяет оценить напряженно-деформированное состояние горного массива. Так, обводненные и разуплотненные участки характеризуются снижением плотности потока ЕИЭМПЗ. Напряженное состояние массива находит отражение в повышенных значениях данного параметра. Метод СГДК-А оперирует гармоническими полями, и базируется на установленном явлении азимутальной неоднородности электропроводности различных сред поверхностного горизонта в связи с текущими геодинамическими процессами коренного массива [9].

Наблюдательные профили были заложены вкрест разломов, сформировавшихся в условиях максимальных растягивающих усилий [8]. В данном случае рассматривались структуры, сопряженные с разломом Лозовая-средняя и являющиеся по отношению к нему отрывами (см. рис. 1). Разлом №1 был пересечен профилями № 3,4, разлом №2 - профилями 5,6. Кроме того, был исследован участок надвига а-б на предмет его возможной проницаемости (профили №1, 2). В настоящее время такой тип нарушений принято рассматривать как непроницаемый экран. Вместе с тем, обновление нарушений в более поздние геологические эпохи не позволяют говорить так однозначно. На определенную проницаемость надвига а-б указывают продолжительные (до двух лет) водопритоки в горные выработки со значительными дебитами - до 100 м3/час [10].

Методом ЕИЭМПЗ пройдено шесть профилей различной протяженности с шагом пять метров. В каждой точке проводился замер вертикальной составляющей скорости следования импульсов (NZ(верт)) за одну секунду. Общее количество точек наблюдений - 164. В качестве аномальных принимались участки с пониженными или повышенными значениями параметра на протяжении не менее пяти пикетов. Аномальность также сопоставлялась с предполагаемой мощностью нарушения.

Методом СГДКА-А выполнены замеры по трем профилям. Общее количество замеров 80. Аномальность оценивалась по критерию К1, который отражает вариации ориентировок дисперсии осей максимальной азимутальной электропроводности грунтов вдоль профиля и характеризует степень изменения фонового поля данного параметра над нарушенными зонами. Критерий К1 оценивался по результатам сглаживания значений изменения фонового поля по пяти точкам. Аномальным всплеском здесь считается амплитуда УК1 равная 9 и более усл. ед. При этом, решающим фактором является как амплитуда, так и протяженность всплеска. Все аномалии, протяженность которых менее пяти пикетов, часто отражают случайные процессы и поэтому на стадиях анализа отнесены к шумам.

Рассмотрим результаты полевых исследований.

Профили №1 и №2 методом ЕИЭМПЗ пройдены вкрест надвига а-б. Простирание нарушения - 290-300о, амплитуда смещения до 25-28 м, мощность нарушенной зоны - 25-35 м. Расстояние между профилями 90 м. Длина профиля №1 - 140 м, длина профиля №2 - 120 м.

При анализе совмещенных диаграмм вертикальной составляющей ЕИЭМПЗ по двум профилям в интервале 40-60 м (50-75 м для профиля 2) наблюдаются пониженные значения данного параметра (рисунок 2А,2Б). По нашему мнению, данный участок диаграммы отражает трещиноватую зону надвига. Ее протяженность соответствует данным о мощности зоны дробления нарушения, полученным по результатам доразведки месторождения [10].

На отрезке 50-60 м, на общем пониженном фоне ЕИЭМПЗ, наблюдается некоторое повышение значений данного параметра. Это может свидетельствовать о напряженном состоянии массива на данном отрезке, и, следовательно, меньшей проницаемости. Кроме того, вдоль профиля №1, в интервале 95-115 м также имеет место снижение плотности потока, что может быть обусловлено наличием трещиноватой, обводненной зоны.

Рисунок 2. Результаты геофизического профилирования методами ЕИЭМПЗ и СГДК-А вкрест надвига а-б:

1 - песчаник; 2 - известняк: а - закартированный; б - построенный; 3 - угольные пласты (а) и пропластки (б); 4 - аргиллиты; 5 - алевролиты; 6 - разрывные нарушения; 7 - проницаемые разломы; 8 - «полупроницаемые» разломы; 9 - непроницаемые разломы; 10 - геофизические профили.

Горный массив между упомянутыми отрезками характеризуется повышенными значениями данного параметра, что может указывать на его напряженное состояние.

В пределах профиля №2 наблюдается несколько иная картина. Если до четко выраженного минимума в пределах 50-75 м кривая ЕИЭМПЗ характеризуется большим разбросом значений, то после него - не превышает пяти единиц. По-видимому, на напряженное состояние массива могут оказыватьвлияние разломы низких порядков, расположенные в 25-50 м от профиля. В первой трети профиля максимально близко (до 20-25 м) залегает проницаемый разлом (Т-отрыв) [8]. В конце профиля расположены «полупроницаемые» разломы, представленные в данном случае левым сдвигом (см. рис. 2В).

Вдоль профиля 1 также выполнены исследования методом СГДК-А. Замеры выполнены в 25 точках с шагом пять метров.

В интервале 40-60 м наблюдается всплеск кривой параметра К1, что свидетельствует о нарушенном состоянии массива на данном отрезке (см. рис.2А). Местоположение аномального участка практически совпадает с результатами, полученными методом ЕИЭМПЗ.

Аномальный участок, выделенный методом ЕИЭМПЗ в интервале 95-115

м, методом СГДК-А подтвержден отчасти. В интервале 80-85, 90-105 м наблюдаются всплески параметра К1 до 3 усл. ед., что, однако, при принятом критерии аномальности, не позволяет достаточно достоверно отнести данный участок к нарушенным. Для уточнения степени нарушенности участка требуются дополнительные исследования.

Профили №3-6 методом ЕИЭМПЗ пройдены вкрест разломов отрыва, сопряженных с разломом Лозовая-средняя (см. рис.1). Простирание рассматриваемых структур 330о.

Профили № 3-4 на расстоянии 125 друг от друга пересекают вкрест одну из структур (рисунок 3В). Длина профиля 5 - 150 м, профиля 6 - 130 м.

Предполагаемая мощность нарушенной зоны - 20-30 м.

Минимум кривой плотности потока в пределах профиля №3 наблюдается в интервале 70-75 м (рисунок 3А). Причем на участке 55-70 м наблюдается устойчивое снижение данного параметра, что также может свидетельствовать об обводненности, либо нарушенности массива на данном отрезке.

График плотности потока профиля №4 имеет вид параболы, с минимум в пределах отрезка 50-70 м (рисунок 3Б). Тенденция к снижению значений плотности потока, начиная от первых пикетов профиля, также позволяет сделать предположение об обводненности данного участка.

Профиль №2 для метода СГДК-А заложен вдоль профиля №3, пройденного методом ЕИЭМПЗ. Общее количество замеров - 30, шаг пять метров.

Рисунок 3. Результаты геофизического профилирования методами ЕИЭМПЗ и СГДК-А вкрест разлома № 1:

1 - песчаник; 2 - известняк: а - выход; б - построенный; 3 - угольные пропластки; 4 - аргиллиты; 5 - алевролиты; 6 - разрывные нарушения; 7 - проницаемые разломы; 8 - «полупроницаемые» разломы; 9 - непроницаемые разломы; 10 - геофизические профили.

Кривая К1 имеет выраженный ступенчатый вид. Фоновые значения параметра составляют 1-3 усл. ед. в интервале 10-75 м и достигает аномального значения 9 усл.ед. научастке 80-120 м (см. рис.3А). Таким образом, мощность нарушенной зоны согласно методу СГДК-А составляет 40 м. Несмотря на несколько большее значение, ее положение совпадает с результатами, полученными методом ЕИЭМПЗ.

Профили №5,6 расположены в 380 м северо-восточнее профилей № 3,4. Расстояние между профилями 60 м. Длина профиля №5 и 6 соответственно 135 и 130 м (рисунок 4В).

Рисунок 4. Результаты геофизического профилирования методами ЕИЭМПЗ и СГДК-А вкрест разлома № 2:

1 - песчаник; 2 - известняк: а - выход; б - построенный; 3 - аргиллиты; 4 - алевролиты; 5 - разрывные нарушения; 6 - проницаемые разломы; 7 - «полупроницаемые» разломы; 8 - непроницаемые разломы; 9 - геофизические профили.

Значения параметра ЕИЭМПЗ вдоль профиля №5 характеризуются разновекторной направленностью. Четко выраженный минимум приходится на интервал 85-105 м (рисунок 4А). Кривая ЕИЭМПЗ вдоль профиля №6 характеризуется уменьшением значения параметра от начала к окончанию профиля (рисунок 4Б).Минимум расположен в интервале 80-100 м. Данный участок не совпадает с положением разлома, выделенного по данным дистанционного зондирования, а находится на удалении порядка 10-15 м от него.

Методом СГДК-А (профиль №3) выполнены 25 замеров с шагом пять метров. На большей части профиля значения К1 не отличаются от фоновых.

Всплеск значений параметра отмечается в интервале 90 - 110 м (см. рис. 4А).

Таким образом, положение нарушенной зоны в целом совпадает с результатами профилирования методом ЕИЭМПЗ.

Проведенные геофизические исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Пространственное положение геодинамических зон (ГДЗ), предварительно установленное геодинамическим картированием, находит отражение в изменении естественного импульсного электромагнитного поля Земли (метод ЕИЭМПЗ) и дисперсии осей азимутальной электропроводности грунтов (метода СГДК-А) вдоль профилей, пройденных вкрест простирания разломов.

2. ГДЗ, сформировавшиеся в условиях максимальных растягивающих усилий и, как следствие, обладающие максимальной проницаемостью и обводненностью, характеризуются образованием отрицательных аномалий ЕИЭМПЗ. При этом ширина обводненной приразломной зоны определяется протяженностью разлома и изменяется от 10 до 40 м. Надвиг а-б характеризуется чередованием положительных и отрицательных аномалий ЕИЭМПЗ, указывающих на наличие в напряженном массиве проницаемых участков. На определенную проницаемость также указывают продолжительные водопритоки в горные выработки со значительными дебитами.

3. ГДЗ, независимо от условий образования, выделяются методом СГДК-А по положительным аномалиям.

4. Применение геофизических методов ЕИЭМПЗ и СГДК-А в комплексе с методами дешифрирования космоснимков, результатами тектонофизических исследований позволяет установить проницаемость массива и на основании этого выполнить оценку геолого-экологических последствий ликвидации угольных шахт.

Список литературы

1. Воевода Б.И. Геодинамическое состояние горных массивов и последствия землетрясений / Б.И. Воевода, Е.Г. Соболев, А.Н. Русанов // Наукові праці ДонГТУ : серія гірничо-геологічна. - 2001. - Вип. 32. - С. 80-87.

2. Макаров В.И., Дорожко А.Л., Макаров Н.В. и др. Современные геодинамически активные зоны платформ / В.И. Макаров, А.Л. Дорожко, Н.В. Макаров [и др.] // Геоэкология. - 2007. - №2. - С. 99 - 110.

3. Соболев Е.Г. Геодинамические зоны, как пути загрязнения подземных источников водоснабжения / Е.Г. Соболев, О.В. Савченко, Г.А. Петенко и др. // Проблемы экологии - 2002. - №2. - С. 33-41.

4. Кипко Э.Я. О предотвращении экологического ущерба при мокрой консервации шахт. / Э.Я. Кипко, Е.Г. Соболев, О.В. Савченко // Уголь Украины. - 1997. - №10. - С. 27-31.

5. Заборин М.С. Геодинамика и ее влияние на восстановление гидрогеологических условий в пределах закрытых шахт / М.С. Заборин, Л.Д. Богун, Б.И. Воевода // Уголь Украины. - 2007. - №2. - С. 31-33.

6. Заборин М.С. Геодинамическое картирование в пределах поля закрытой шахты «Брянковская» (Луганская область) / М.С. Заборин, Б.И. Воевода, А.Н. Хромов // Сб. научных статей 3-й межвузовской научно-практической конференции «Наукова парадигма географічної освіти України в XXI столітті». - Донецк : ДИСО. - 2007. - С. 25 - 33.

7. Заборин М.С. Геодинамическое строение поля закрытой шахты «Брянковская» по данным аэрокосмического метода : (итоги 15 Международной конференции «Ломоносов-2008») [электронный ресурс] - Режим доступа к журн. : http: // lomonosov-msu.ru/2008/06/06_6.pdf.

8. Заборин М.С. Проницаемость геодинамических зон в пределах поля шахты «Брянковская» / М.С. Заборин, В.А. Корчемагин, И.К.Решетов [и др.] // Вісник ХНУ ім. В.Н. Каразіна : сер. «Геологія, географія, екологія». - 2009. - №864 - С. 39-46.

9. Панов Б.С. Новое в геолого-геофизических исследованиях / Б.С. Панов, Е.П. Тахтамиров // Известия высших учебных заведений, геология и разведка. - 1993. - №3. - С. 57-67.

10. Геологический отчет о доразведке полей шахт 6-6бис «Брянка» и №12 им. Ф.Э. Дзержинского комбината «Кадиевуголь» / ПО «Укруглегология» ; Исполн.: Порохов В.В., Кравцов П.И., Малашкина Н.И., Воронина Т.Т. - Донецк, 1971. - Т.1. - 505 с.

Размещено на Allbest.ru