Доллинер ПЯ Автореферат Исследование элетронной системы обнаружения водоносных слоёв

Угольная промышленность Украины является основой составляющей топливно-энергетического комплекса страны, а основным угледобывающим регионом страны является Донбасс. Связано это с тем, что Донецкий регион является одним из наиболее ресурсообеспеченных. В его пределах сосредоточены основные запасы коксующихся и каменных углей Донбасса, а так же значительны запасы поваренных солей, имеются многочисленные месторождения высококачественного минерально-строительного сырья (карбонаты, огнеупоры)[4].

Уголь используется в таких сферах промышленности как: теплоэнергетика, металлургия, химическая промышленность и т.д.

Для развития угольной промышленности необходимо: улучшение условий труда шахтеров, повышения производительности и машинного времени угледобывающего комплекса, снижение себестоимости готовой продукции, а также улучшение качества угля и увеличение объема его обогащения[9].

Одной из важных задач горнодобывающего комплекса является слаженная работа всех его частей и дальнейшее техническое перевооружение и реконструкция шахт Донбасса на базе передовой техники и технологии добычи угля. Одной из проблем горнодобывающего комплекса является система гидрозащиты. Но в моём дипломном проекте целью стоит скорее необходимость установки данной системы[3,4].

Разработать электронную систему обнаружения водоносных слоёв в условиях горных выработок.

Электроразведка на ряду с другими геофизическими методами исследования является эффективным методом поисков и разведки полезных ископаемых, исследования земной коры и природной среды, решения различных задач в ряде отраслей науки и техники[3].

Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно[7].

1) установившимися, т.е. существующими свыше 1 с, постоянными и переменными (гармоническими или квазигармоническими) частотой от миллигерц (1 мГц=10^-3 Гц) до петагерц (1 ПГц=10¹⁵ Гц);

2) неустановившимися, импульсными с длительностью импульсов от микросекунд до секунд. Используемые гармонические поля можно разделить на инфразвуковые, звуковые, радиоволновые, изучаемые в электроразведке, и микрорадиоволновые, на которых основаны методы терморазведки. Измеряемыми параметрами поля являются амплитуды и фазы электрических Е и магнитных Н полей, а при терморазведке—температуры Т.

Интенсивность и структуру естественных полей определяют природные факторы и электромагнитные свойства горных пород. Для искусственных полей она зависит от этих же свойств горных пород, интенсивности и вида источника, а также способов возбуждения. Искусственные поля бывают гальваническими, когда поле в Земле создают с помощью тока, пропускаемого через электроды заземлители; индуктивными, когда питающий ток, проходя по незаземленному контуру (петля, рамка), создает в среде электромагнитное поле за счет индукции, и смешанными (гальваническими и индуктивными).

К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, величина, ей обратная,—удельная электропроводность (γ = 1/ρ), электрохимическая активность α, поляризуемость η , диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d. Электромагнитными свойствами геологических сред и их геометрическими параметрами определяются геоэлектрические разрезы. Геоэлектрический разрез однородного по тому или иному электромагнитному свойству полупространства принято называть нормальным, а неоднородного – аномальным.

При изучении обводненности горных выработок в ходе разработки месторождений твердых полезных ископаемых наиболее важной практической задачей является выявление обводненных зон для бурения водопонизительных скважин и проектирования других осушительных мероприятий. Особенно значительна обводненность месторождений, сложенных песчано-глинистыми или неравномерно закарстованными и трещиноватыми карбонатными породами. Обводненные зоны здесь носят локальный, незакономерный характер и приурочены к увеличениям в разрезе содержания толщ песчаных коллекторов или карстовых водонасыщенных полостей и трещиноватых зон.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) горных пород является параметром вещества, характеризующим его способность пропускать электрический ток при возникновении электрического поля, измеряется не в Омах, а в Ом·метрах.

Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород оно зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма, техногенных воздействий и др.).

1. Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012—1015 Ом·м). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104—108 Ом·м). Глинистые минералы гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями (ρ<104 Ом·м). Рудные минералы (самородные, некоторые оксиды) с электронной проводимостью очень хорошо проводят ток (ρ <1 Ом·м). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают «пластичный» скелет. Характерно, что «пластичные» минералы способны адсорбировать связанную воду, а породы с «жесткими» минералами могут насыщаться лишь свободной водой.

2. Удельное электрическое сопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) изменяется от долей Ом·метра при высокой общей минерализации (М>10 г/л) до 1000 Ом·м при низкой минерализации (М<0,01 г/л) и может быть оценено по формуле ρВ ≈ 8,4/М. Химический состав растворенных в воде солей не играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое сопротивление связанных подземных вод низкое и изменяется от 1 до 10 Ом·м, что объясняют достаточно постоянной их минерализацией (3—1 г/л), близкой к средней минерализации вод Мирового океана. Так как поровая влага (свободная и связанная) отличается значительно более низким удельным электрическим сопротивлением, чем минеральный скелет, то сопротивление большинства горных пород практически не зависит от его минерального состава, а определяется такими факторами, как пористость, трещиноватость, водонасыщенность, с увеличением которых сопротивление пород уменьшается.

3. При возрастании температуры на 40°С сопротивление уменьшается примерно в 2 раза. Это объясняют увеличением подвижности ионов. При замерзании сопротивление горных пород возрастает скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает при очень низких температурах (ниже —50 °С). Степень возрастания сопротивлений при замерзании для разных пород различна: в несколько раз она увеличивается углин; до 10 раз — у скальных пород; до 100 раз — у суглинков и супесей; до 1000 раз и более — у песков и грубообломочных пород.

4. Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии n l λ = ρ ρ где ρn , ρl —сопротивления породы вкрест и вдоль слоистости. Чаще всего λ изменяется от 1 до 1,5, достигая 2—3 у сильно рассланцованных пород. Несмотря на широкий диапазон изменения удельных электрических сопротивлений у разных пород, основные закономерности установлены достаточно четко. Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Ом·м). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 — 1000 Ом·м) у каменной соли, гипсов, известняков, песчаников и некоторых других пород.

Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, слагающих породу. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц до первых десятков и сотен Oм метров.

В итоге сделаем вывод, что УЭС горных пород, в основном, зависит от следующих факторов:

1. Подавляющее большинство минералов являются сугубо диэлектриками и не проводят электрический ток. Исключением являются сплошные и прожилковые руды минералов проводников – самородных элементов, сульфидов, но такие образования встречаются редко.

2. Связь УЭС горных пород с коэффициентом пористости (трещинноватости), коэффициентом влагонасыщенности и электрическим сопротивлением поровой влаги очевидна: чем больше воды в

породе и чем ниже УЭС воды – тем ниже и УЭС горных пород. Например, сухие пески будут обладать более высоким УЭС, чем влажные, а последние более высоким, чем водонасыщенные.

3. Чем больше соленость, тем ниже УЭС воды. С температурой еще проще: вода – проводник, лед – изолятор.

4. Глины обладают очень низкими УЭС, значительно ниже, чем у воды. Например, в московском регионе УЭС воды – 25-30 Ом·м, а сопротивление юрских глин – 10-15 Ом·м. Этот эффект связан со сложными капиллярными процессами в глинах. Чем больше глинистость горных пород, тем ниже УЭС.

Наименование горной породы	УЭС min (Ом·м)	УЭС типичное (Ом·м)	УЭС max (Ом·м)
Глины	5	10	15
Суглинки	15	30	50
Супесы	30	50	80
Пески водонасыщеные	50	80	200
Пески слабоувлажнёные	100	150	500
Пески сухие	200	500	10000
Карбонатные скальное породы слаботещинноватые	500	1000	5000
Интрузивные горные породы слаботрещинноватые	1000	2000	10000
Дресва	30	50	500
Вечномерзлые породы различной льдистости	500		80000
Руды минералов проводников (в основном сульфидов)	0,001		1-5

Как видим значения УЭС для отдельных видов пород сильно различны, что дает возможность различать различные горные породы и решать различного рода задачи.

Основными полевыми методами изучения обводненности горных выработок являются ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, МПВ, а также электропрофилирования (ЭП). Методика полевых работ сводится к площадным съемкам с густотой сети наблюдений (100-500) \times (100-500) м. Глубинность разведки должна превышать проектируемые глубины выработок[6].

МПВ (метод преломленных волн) это метод из области сейсморазведки, поэтому его мы рассматривать не будем.

ВЭЗ (вертикальные электрические зондирования) это метод постоянного поля. Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) является одним из старейших методов электроразведки. Первые применения метода относятся к 20-м г.г. XX века. Сравнительная простота и наглядность ВЭЗ привела к его широкому распространению и развитию во всем мире[8].

На сегодняшний день электрические зондирования остаются одним из самых применяемых электроразведочных методов. На основе ВЭЗ разработаны и другие современные технологии – например, электротомография, базирующиеся на тех же принципах, что и для «классических» электрических зондирований.

Одним из основных требований к применению геофизических методов является контрастность по физическим свойствам объекта изучения относительно вмещающей среды. Для электроразведки методами сопротивлений, к которым относится ВЭЗ – это означает, что изучаемый объект (тело, слой, пласт и пр.) должен заметно (желательно в несколько раз) отличаться по удельному электрическому сопротивлению от вмещающих пород.[2]

Физические основы метода ВЭЗ

Идея метода ВЭЗ – на поверхности земли собирают электроразведочную установку(установки Шлюмбеже, Веннера, дипольная осевая установки и некоторые другие), которая, как правило, состоит из двух питающих и двух приемных электродов (см. Рис. 1, Рис.2). В качестве электродов обычно применяют металлические штыри, которые забиваются в землю. Питающие электроды принято обозначать буквами А и В, приемные – M и N.

К питающим электродам подключают источник тока - например, батарею. В земле возникает электрическое поле и, соответственно, электрический ток. Силу тока в питающей линии (I_АВ) измеряют с помощью амперметра, включенного в цепь АВ.

Длина линии MN в установках Шлюмберже остается постоянной, а расстояние между питающими электродами увеличивается в геометрической прогрессии с коэффициентом 1,2 - 1,5. На приемных электродах М и N возникает разность электрических потенциалов (ΔU_MN), которая измеряется с помощью вольтметра.

По результатам измерений можно судить об электрических свойствах горных пород на глубинах проникновения тока в землю. Глубина «погружения тока» зависит, в основном, от расстояния между питающими электродами А и В.

По результатам выполненных измерений вычисляют кажущееся электрическое сопротивление (КС), обозначаемое ρ_к, и измеряемое в Ом·м:

где, K – геометрический коэффициент (зависит от расстояний между электродами A, B, M и N), ΔU_MN – разность потенциалов на приемных электродах M и N, I_AB – сила тока, протекающего в питающей линии.

Кажущееся электрическое сопротивление характеризует интегральное значение УЭС горных пород в области исследования. Область исследования располагается под центром установки и простирается от поверхности до глубин, примерно равным половине длины установки - АВ/2 (см. Рис. 1).

Если изучаемая среда однородна - с УЭС равным ρ_среды, то значение полученного кажущегося сопротивления ρ_к будет тождественно равно ρ_среды:

Если изучаемая среда неоднородна, т.е. в области исследования располагаются горные породы с различными значениями УЭС, то значение полученного кажущегося сопротивления ρ_к будет больше наименьшего из УЭС пород, но меньше наибольшего:

Эффект зондирования

Для выполнения зондирования производят серию измерений, постепенно увеличивая размер питающей линии АВ. Чем больше параметр АВ/2 – тем глубже «погружается ток в землю» и тем больше глубинность исследований (см. Рис. 3).

При этом каждая следующая область исследования полностью включает в себя предыдущую.

Значения АВ/2 выбирают в зависимости от требуемой глубинности исследований. Как правило, минимальные АВ/2 принимают 1-1.5 метра. Максимальные АВ/2 редко делают больше первых километров. Таким образом, метод ВЭЗ применяют для изучения сред до глубин не более чем сотни метров.

В результате описанной серии измерений получается набор значений кажущегося сопротивления, измеренных при известных АВ/2. В электроразведке параметр АВ/2 называют разносом питающей линии (или просто разносом).

Для удобного представления результатов наблюдений строят график зависимости ρ_k (в Ом·м) от разноса (в м). Такой график называется кривой зондирования или кривой ВЭЗ(см. Рис. 5).

Для выполнения наблюдений методом ВЭЗ применяется специализированная электроразведочная аппаратура для возбуждения поля (генераторы) и измерения разности потенциалов (измерители). В настоящее время, как правило, для метода сопротивлений применяется аппаратура на ультранизких частотах (1-10 Гц) или на постоянном токе. Среди применяемых отечественных приборов можно назвать следующие образцы:

· АЭ-72 - прибор разработки 60-х г.г., работающий на постоянном токе;

· АНЧ-3 - прибор разработки 70-80-х г.г., работающий на переменном токе на частоте 4.88 Гц;

· ЭРА - прибор разработки конца 80-х г.г., работающий на частотах 0, 4.88 и 625 Гц;

· ЭРА-МАХ - современный прибор, работающий на частотах 0, 4.88, 625, 1250 и 2500 Гц;

· ЭРП-1 - современный прибор, работающий на частотах 0, 1.22, 2.44 и 4.88Гц;

· генератор АСТРА и измеритель МЭРИ - современные многочастотные приборы, работающие на частотах от 0 до 625 Гц;

Измеритель ЭИН-204 предназначен для полевых электроразведочных работ на переменном токе низкой частоты методами ВП, ЧЗ, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП. Измеритель позволяет регистрировать амплитуды и фазовые параметры на рабочих частотах от 0.019 до 312Гц с шагом 1/2. Диапазон измеряемых напряжений составляет от 1.0E-5 до 5В. Блок-схема устройства приведена на рис.5.1.

Для монтажа питающих и приемных линий применяются стале-медные провода и кабели. В качестве питающих электродов используют стальные заостренные штыри, для приемных - медные или латунные.

Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) по методике работ мало чем отличается от рассмотренных выше ВЭЗ и предназначено для расчленения разрезов по глубине не только по изменению УЭС, но и поляризуемости ( η) слоев. С помощью одноканальной или многоканальной аппаратуры измеряются ΔU_MN и I_АВ, что делается и в методе ВЭЗ, а также U_вп на МN через 0,5 с после отключения тока в АВ. В результате наряду с ρ_к рассчитывается кажущаяся поляризуемость η_k =

Пример кривых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП, поставленных для выделения водоносного пласта ( III), приведен на рис. 6.

Рис.6. Кривые ВЭЗ и ВЭЗ-ВП с ветвями, обусловленными сухими ( I) и водонасыщенными ( II) супесями, подстилаемыми глинами ( III)

Далее на бланках с логарифмическим масштабом по осям координат (бланках ВЭЗ) наряду с кривыми ВЭЗ строятся кривые ВЭЗ-ВП: по горизонтали откладываются АВ / 2, по вертикали - η_k.

Для поиска локальных объектов принято применять другой метод электроразведки – электропрофилирование (ЭП).

Идея метода ЭП еще проще, чем идея метода ВЭЗ. Измерения производятся с такой же электроразведочной установкой как в методе ВЭЗ, но только при одном-двух значениях АВ/2. Установка профилирования перемещается по профилю наблюдений с шагом от 5-10 до 50-100, в зависимости от размеров искомых тел и требуемой детальности съемки.

Фактически ЭП – является «укороченным ВЭЗ-ом». Величина используемых при профилировании разносов АВ/2 определяется исходя из требуемой глубины исследований (глубины залегания искомых объектов).

В методе ВЭЗ основной параметр УЭС довольно различен и резко отличается при зондировании различных пород и минералов, и является отличным методом для решения задачи обнаружения соприкосновения водной среды и горных выработок. Что необходимо для благовременной установки водооткачивающего элементов горнодобывающего комплекса.

Список литературы

1. В.К. Хмелевской, Электроразведка, изд. 2-е - М.: Изд-во МГУ, 1984 г. С ил., 422с.

2. Методическое пособие для студентов геологической специальности на тему: «ВЭЗ»

[Электронный ресурс]: Практикум по методу вертикального электрического

зондирования (ВЭЗ) проводится в рамках раздела «основы электроразведки»,

учебного курса «основы геофизических методов» для геологов младших курсов

Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

3. Бобровников Л.З., Кадыров И.Н., Попов В.А., Электроразведочная аппаратура и

4. Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М., Недра, l965. 311с.

5. Вешев А.В., Ивочкин В.Г., Игнатьев Г.Ф. Электромагнитное профилирование. Л.,

6. Краткое описание методов постоянного тока (Электромагнитные зондирования).

[Электронный ресурс]: В.К. Хмелевской, Международный университет природы,

общества и человека «Дубна», 1997 г.10. Краев А.П. Основы геоэлектрики.

7. Огильви А.А., Хмелевской В.К. Сборник задач и упражнений по электроразведке.

8. Электрическое зондирование геологической среды. /Ред. В.К.Хмелевской и

9. Электроразведка методом сопротивлений. / Ред. В.К.Хмелевской и В.А.Шевнин М.,

10. Электротомографии( двумерная электроразведка методом сопротивлений и ВП)

11. Электроразведочная аппаратура [Электронный ресурс]: – Режим доступа:

Доллинер Павел Яковлевич

Факультет: Компьютерных Информационных Технологий и Автоматики

Кафедра: Электронной техники

Специальность: Электронные системы

Тема выпускной работы:

Исследование электронной системы обнаружения водоносных слоёв

Научный руководитель: доц. Сенько Виктор Фёдорович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Цели и задачи

Постановка задачи

Актуальность

Основные понятия электрических свойств пород и минералов

Удельное электрическое сопротивление

Рассмотрим подробнее метод вертикальные электрические зондирования

Физические основы метода ВЭЗ

Эффект зондирования

Аппаратура и оборудование в методе ВЭЗ

Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации

Заключение

Список литературы