Доллінер Павло Якович

Факультет: Комп'ютерних Інформаційних Технологій і Автоматики

Кафедра: Електронної техніки

Спеціальність: Електронні системи

Тема випускної роботи:

Дослідження электронної системи виявлення водоносних шарів

Науковий керівник: доц. Сенько Віктор Федорович

Реферат за темою диплома

Зміст

1.    Введення

2.    Мета й завдання

3.    Постановка завдання

4.    Актуальність

5.    Основні поняття електричних властивостей порід і мінералів

6.    Питомий електричний опір

7.    Розглянемо докладніше метод вертикальні електричні зондування

8.    Фізичні основи методу ВЕЗ

9.    Ефект зондування

10.  Апаратура й обладнення методу ВЕЗ

11.  Вертикальне електричне зондування методом викликаної поляризації

12.  Висновок

Вугільна промисловість України є основою складового паливно-енергетичного комплексу країни, а основним вуглевидобувним регіоном країни є Донбас. Зв'язано це з тим, що Донецький регіон є одним з найбільше ресурсозабеспеченных. У його межах зосереджені основні запаси коксівних і кам'яних вугіль Донбасу, а так само значні запаси поварених солей, є численні родовища високоякісної мінерально-будівельної сировини (карбонати, вогнетриви)[4].

Вугілля використається в таких сферах промисловості як: теплоенергетика, металургія, хімічна промілосвість і т.д.

Для розвитку вугільної промисловості необхідно: поліпшення умов праці шахтарів, підвищення продуктивності й машинного часу вуглевидобувного комплексу, зниження собівартості готової продукції, а також поліпшення якості вугілля й збільшення обсягу його збагачення[9].

        Однієї з важливих завдань гірничодобувного комплексу є злагоджена робота всіх його частин і подальше технічне переозброєння й реконструкція шахт Донбасу на базі передової техніки й технології видобутку вугілля. Однієї із проблем гірничодобувного комплексу є система гідрозахисту. Але в моєму дипломному проекті метою є скоріше необхідність установки даної системи[3,4].

Розробити електронну систему виявлення водоносних шарів в умовах гірських виробітків.

Електророзвідка на ряді з іншими геофізичними методами дослідження є ефективним методом пошуків і розвідки корисних копалин, дослідження земної кори й природного середовища, рішення різних завдань у ряді галузей науки й техніки[3].

Електророзвідка (електрична, або точніше електромагнітна розвідка) поєднує фізичні методи дослідження геосфер Землі, пошуків і розвідки корисних копалин, засновані на вивченні електромагнітних полів, що існують у Землі в силу природних космічних, атмосферних або фізико-хімічних процесів або створених штучно[7].

Електромагнітні поля можуть бути:

1) сталими, тобто існуючими понад 1 з, постійними й змінними (гармонійними або квазигармонічні) частотою від міллігерц (1 мгц=10^-3 Гц) до петагерц (1 ПГц=10¹⁵ Гц);

2) несталими, імпульсними із тривалістю імпульсів від мікросекунд до секунд. Використовувані гармонійні поля можна розділити на інфразвукові, звукові, радіохвильові, досліджувані в електророзвідці, і мікрорадіохвильові, на яких засновані методи терморозвідка. Вимірюваними параметрами поля є амплітуди й фази електричних Е и магнітних Н полів, а при терморозвідка-температури Т.

Інтенсивність і структуру природних полів визначають природні фактори й електромагнітні властивості гірських порід. Для штучних полів вона залежить від цих же властивостей гірських порід, інтенсивності й виду джерела, а також способів порушення. Штучні поля бувають гальванічними, коли поле в Землі створюють за допомогою струму, що пропускає через електроди заземлювачі;  індуктивними, коли живильний струм, проходячи по незаземленому контурі (петля, рамка), створює в середовищі електромагнітне поле за рахунок індукції, і змішаними (гальванічними й індуктивними).

До електромагнітних властивостей гірських порід ставляться питомий електричний опір ρ, величина, їй зворотна,-питома електропровідність (γ = 1/ρ), електрохімічна активність α, поляризуемість η , діелектрична ε і магнітна µ проникності, а також п'єзоелектричні модулі d. Електромагнітними властивостями геологічних середовищ і їхніх геометричних параметрів визначаються геоэлектричні розрізи. Геоэлектричний розріз однорідного по тій або іншій електромагнітній властивості півпростору прийнято називати нормальним, а неоднорідного - аномальним.

При вивченні обводненості гірських виробітків у ході розробки родовищ твердих корисних копалин найбільш важливим практичним завданням є виявлення обводнених зон для буравлення водопонизний шпар і проектування інших осушувальних заходів. Особливо значна обводненність родовищ, складених піщано-глинистими або нерівномірно закарстованними й тріщинуватими карбонатними породами. Обводнені зони тут носять локальний, незакономірний характер і присвячені до збільшень у розрізі змісту товщ піщаних колекторів або карстових водонасищенних порожнин і тріщинуватих зон.

       Питомий електричний опір (УЕО) гірських порід є параметром речовини, що характеризує його здатність пропускати електричний струм при виникненні електричного поля, виміряється не в Омах, а в Ом·метрах.

        Для найпоширеніших осадових, вивержених і метаморфічних гірських порід воно залежить від мінерального состава, фізико-механічних і водних властивостей гірських порід, а також від деяких інших факторів (температури, глибини залягання, ступеня метаморфізму, техногенних впливів і ін.).

1. Питомий електричний опір мінералів залежить від їхніх внутрікристалічних зв'язків. Для мінералів-діелектриків (кварц, слюди, польові шпати й ін.) з переважно ковалентними зв'язками характерні дуже високі опори (1012—1015 Ом·м). Мінерали-напівпровідники (карбонати, сульфати, галоїди й ін.) мають іонні зв'язки й відрізняються високими опорами (104—108 Ом·м). Глинисті мінерали гідрослюди, монтмориллонит, каолініт і ін.) мають іонно-ковалентні зв'язки й характеризуються досить низькими опорами (ρ<104 Ом·м). Рудні мінерали (самородні, деякі оксиди) з електронною провідністю дуже добре проводять струм (ρ <1 Ом·м). Перші дві групи мінералів становлять «твердий» кістяк більшості гірських порід. Глинисті мінерали створюють «пластичний» кістяк. Характерно, що «пластичні» мінерали здатні адсорбувати зв'язану воду, а породи з «твердими» мінералами можуть насичуватися лише вільною водою.

2. Питомий електричний опір вільних підземних вод (гравітаційн і капілярних) змінюється від часток Ом·метра при високій загальній мінералізації (М>10 г/л) до 1000 Ом·м при низької мінералізації (М<0,01 г/л) і може бути оцінене по формулі ρВ ≈ 8,4/М. Хімічний склад розчинених у воді солей не грає істотної ролі, тому по даним електорозвідки можна судити лише про загальну мінералізацію підземних вод. Питомий електричний опір зв'язаних підземних вод низьке й змінюється від 1 до 10 Ом·м, що пояснюють досить постійною їхньою мінералізацією (3-1 г/л), близької до середньої мінералізації вод Світового океану. Тому що порова волога (вільн і зв'язана) відрізняється значно більше низьким питомим електричним опором, чим мінеральний кістяк, то опір більшості гірських порід практично не залежить від його мінерального состава, а визначається такими факторами, як пористість, тріщинуватість, водонасищенність, зі збільшенням яких опір порід зменшується.

3. При зростанні температури на 40°С опір зменшується приблизно в 2 рази. Це пояснюють збільшенням рухливості іонів. При замерзанні опір гірських порід зростає стрибком, тому що вільна вода стає практично ізолятором, а електропровідність визначається лише зв'язаною водою, що замерзає при дуже низьких температурах (нижче —50 °С). Ступінь зростання опорів при замерзанні для різних порід різна: у кілька разів вона збільшується углин; до 10 разів - у скельних порід; до 100 разів - у суглинків і супесей; до 1000 разів і більше - у пісків і грубообломочних порід.

4. Глибина залягання, ступінь метаморфізму, структура й текстура породи також впливають на її опір, змінюючи коефіцієнт мікроанізотропії n l λ = ρ ρ де ρn , ρl -опору породи вхрест і уздовж шаруватості. Найчастіше λ змінюється від 1 до 1,5, досягаючи 2—3 у сильно рассланцованних порід. Незважаючи на широкий діапазон зміни питомих електричних опорів у різних порід, основні закономірності встановлені досить чітко. Вивержені й метаморфічні породи характеризуються високими опорами (від 500 до 10000 Ом·м). Серед осадових порід  високі опори (100 — 1000 Ом·м) у кам'яної солі, гіпсів, вапняків, піщаників і деяких інших порід.

        Обломочні осадові породи, як правило, мають тим більший опір, чим більше розмір зерен, що складають породу. При переході від глин до суглинків, супесям і піскам питомий опір змінюється від часток і перших одиниць до перших десятків і сотень Oм метрів.

У підсумку  зробимо вивід, що УЕО гірських порід, в основному, залежить від наступних факторів:

         1. Переважна більшість мінералів є сугубо діелектриками й не проводять електричний струм. Виключенням є суцільні й прожилкові руди мінералів провідників - самородних елементів, сульфідів, але такі утворення зустрічаються рідко.

         2. Зв'язок УЕО гірських порід з коефіцієнтом пористості (трещинноватості), коефіцієнтом влагонасищенності й електричним опором поровой вологи очевидна: чим більше води в

породі й чим нижче УЕО води - тим нижче й УЕО гірських порід. Наприклад, сухі піски будуть володіти більше високим УЕО, чим вологі, а останні більше високим, чим водонасищенність.

         3. Чим більше солоність, тим нижче УЕО води. З температурою ще простіше: вода - провідник, лід - ізолятор.

         4. Глини мають дуже низькими УЕО, значно нижче, ніж у води. Наприклад, у московському регіоні УЕО води - 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.

Наприклад от УЕО деяких гірських порід:

Як бачимо значення УЕО для окремих видів порід сильно різні, що дає можливість розрізняти різні гірські породи й вирішувати різного роду завдання.

Основними польовими методами вивчення обводненності гірських виробітків є ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, МПВ, а також електропрофілювання (ЕП). Методика польових робіт зводиться до майданних зйомок з густотою мережі спостережень (100-500) \times (100-500) м. Глубинність розвідки повинна перевищувати проектовані глибини виробітків[6].

МПВ (метод переломлених хвиль) це метод з області сейсморозвідки, тому його ми розглядати не будемо.

Розглянемо докладніше метод вертикальні електричні зондування

ВЕЗ (вертикальні електричні зондування) це метод постійного поля. Метод вертикального електричного зондування (ВЕЗ) є одним з найстарших методів електророзвідка. Перші застосування методу ставляться до 20-м г.г. XX століття. Порівняльна простота й наочність ВЕЗ привела до його широкого поширення й розвитку в усьому світі[8].

На сьогоднішній день електричні зондування залишаються одним із самих застосовуваних електророзвідних методів. На основі ВЕЗ розроблені й інші сучасні технології - наприклад, електротомографія, що базуються на тих же принципах, що й для «класичних» електричних зондувань[2].

Одним з основних вимог до застосування геофізичних методів є контрастність по фізичних властивостях об'єкта вивчення щодо середовища, що вміщає. Для електророзвідки методами опорів, до яких ставиться ВЕЗ - це означає, що досліджуваний об'єкт (тіло, шар, шар та ін.) повинен помітно (бажано в кілька разів) відрізнятися по питомому електричному опорі від порід, що вміщають.  

        ВЕЗ (вертикальні електричні зондування) це метод постійного поля. Метод вертикального електричного зондування (ВЕЗ) є одним з найстарших методів електророзвідка. Перші застосування методу ставляться до 20-м г.г. XX століття. Порівняльна простота й наочність ВЕЗ привела до його широкого поширення й розвитку в усьому світі.

На сьогоднішній день електричні зондування залишаються одним із самих застосовуваних електророзвідних методів. На основі ВЕЗ розроблені й інші сучасні технології - наприклад, електротомографія, що базуються на тих же принципах, що й для «класичних» електричних зондувань.

Одним з основних вимог до застосування геофізичних методів є контрастність по фізичних властивостях об'єкта вивчення щодо середовища, що вміщає. Для електророзвідки методами опорів, до яких ставиться ВЕЗ - це означає, що досліджуваний об'єкт (тіло, шар, шар та ін.) повинен помітно (бажано в кілька разів) відрізнятися по питомому електричному опорі від порід, що вміщають.  

Фізичні основи методу ВЕЗ

        Ідея методу ВЕЗ – на поверхні землі збирають електророзвідну установку(установки Шлюмберже, Веннера, дипольна осьова установки й деякі інші), що, як правило, складається із двох живильних і двох приймалень електродів (див. мал. 1, мал.2). Як електроди звичайно застосовують металеві штирі, які забиваються в землю. Живильні електроди прийнятий позначати буквами А и В, приймальні – M і N.

Рис.1.Схема вимірювань в методі ВЕЗ

        До живильних електродів підключають джерело струму - наприклад, батарею. У землі виникає електричне поле й, відповідно, електричний струм. Силу струму в живильній лінії (I_АВ) вимірюють за допомогою амперметра, включеного в ланцюг АВ.

Довжина лінії MN в установках Шлюмберже залишається постійної, а відстань між живильними електродами збільшується в геометричній прогресії з коефіцієнтом 1,2 - 1,5. На прийомних електродах М и N виникає різниця електричних потенціалів (ΔU_MN), що виміряється за допомогою вольтметра.

Рис.2. Cхема установки Шлюмберже методу ВЕЗ.

        За результатами вимірів можна судити про електричні властивості гірських порід на глибинах проникнення струму в землю. Глибина «занурення струму» залежить, в основному, від відстані між живильними електродами А и В.

        За результатами виконаних вимірів обчислюють гаданий електричний опір (КС), позначуване ρ_до, і вимірюване в Ом·м:

   ,

 (для симетричної установки)

        де, K – геометричний коефіцієнт (залежить від відстаней між електродами A, B, M і N), ΔU_MN – різниця потенціалів на прийомних електродах M і N, I_AB – сила струму, що протікає в живильній лінії.

        Гаданий електричний опір характеризує інтегральне значення УЕО гірських порід в області дослідження. Область дослідження розташовується під центром установки й простирається від поверхні до глибин, приблизно рівним половині довжини установки - АВ/2 (див. мал. 1).

        Якщо досліджуване середовище однорідне - з УЕО рівним ρ_{середовища}, то значення отриманого гаданого опору ρ_до  буде тотожно дорівнює ρ_{середовища}:

ρ_до = ρ_{середовища}

        Якщо досліджуване середовище неоднорідне, тобто в області дослідження розташовуються гірські породи з різними значеннями УЕО, то значення отриманого гаданого опору ρ_до  буде більше найменшого     з     УЕО     порід,     але     менше     найбільшого:

ρ_min < ρ_до < ρ_max

Ефект зондування

Рис.3. Эффект зондування в методі ВЕЗ

    Для виконання зондування роблять серію вимірів, поступово збільшуючи розмір живильної лінії АВ. Чим більше параметр АВ/2 - тим глибше «поринає струм у землю» і тем більше глубинность досліджень (див. мал. 3).

При цьому кожна наступна область дослідження повністю містить у собі попередню.

Значення АВ/2 вибирають залежно від необхідної глубинности досліджень. Як правило, мінімальні АВ/2 приймають 1-1.5 метра. Максимальні АВ/2 рідко роблять більше перших кілометрів. Таким чином, метод ВЕЗ застосовують для вивчення середовищ до глибин не більш ніж сотні метрів.

Рис. 4.Принцип практичної практики ВЕЗ

Анімация: GIF Animator, 25 кадрів, 15 циклів 5.38КБ

В результаті описаної серії вимірів виходить набір значень гаданого опору, обмірюваних при відомих АВ/2. В електророзвідці параметр АВ/2 називають розносом живильної лінії (або просто розносом).

Рис. 5.Приклад кривої ВЕЗ

Для зручного подання результатів спостережень будують графік залежності ρ_k (в Ом·м) от разноса (в м). Такой график называется кривой зондирования или кривой ВеЗ(см. мал. 4).

Для виконання спостережень методом ВЕЗ застосовується спеціалізована електорозвідкова апаратура для порушення поля (генератори) і виміру різниці потенціалів (вимірники). У цей час, як правило, для методу опорів застосовується апаратури на ультранизьких частотах (1-10 Гц) або на постійному струмі. Серед застосовуваних вітчизняних приладів можна назвати наступні зразки:

·            АЕ-72 - прилад розробки 60-х г.г., що працює на постійному струмі;

·            АНЧ-3 - прилад розробки 70-80-х г.г., що працює на змінному струмі на частоті 4.88 Гц;

·            ЕРА - прилад розробки кінця 80-х г.г., що працює на частотах 0, 4.88 і 625 Гц;

·            ЕРА-МАХ - сучасний прилад, що працює на частотах 0, 4.88, 625, 1250 і 2500 Гц;

·            ЕРП-1 - сучасний прилад, що працює на частотах 0, 1.22, 2.44 і 4.88Гц;

·            генератор АСТРА й вимірник МЕРИ - сучасні многочастотні прилади, що працюють на частотах від 0 до 625 Гц;

            Вимірювач ЕІН-204   застосовуется для польових електророзвідоних  робіт  на зміному  струмі  низкької частоти методами ВП, ЧЗ, ВЕЗ, ВЕЗ-ВП.  Блок-схема пристрою наведена на рис.5.1.

 Рис. 5.1.Блок-схема вимірювача ЕІН-204

Анімация: GIF Animator, 6 кадрів, 15 циклів 25.8 КБ

    Для монтажу живильних і прийомних ліній застосовуються стале-мідні проведення й кабелі. Як живильні електроди використають сталеві загострені штирі, для приймалень - мідні або латунні.

    Вертикальне електричне зондування методом викликаної поляризації (ВЭЗ-ВП) за методикою робіт мало чим відрізняється від розглянутих вище ВЕЗ і призначено для розчленовування розрізів по глибині не тільки по зміні УЕО, але й полярізуемості ( η) шарів. За допомогою одноканальної або многоканальна апаратури виміряються ΔU_MN і I_АВ, що робиться й у методі ВЕЗ, а також U_вп  на МN через 0,5 з послу відключення струму в АВ. У результаті поряд з  ρ_до  розраховується гадана полярізуемість η_k =   .

    Приклад кривих ВЕЗ і ВЕЗ-ВП, поставлених для виділення водоносного шару ( II), наведений на Рис. 5.

Рис.6. Криві ВЕЗ і ВЕЗ-ВП із галузями, обумовленими сухими ( I) і водонасищеність ( II) супесями, що підстилають глинами ( III)

     Далі на бланках з логарифмічним масштабом по осях координат (бланках ВЕЗ) поряд із кривими ВЕЗ будуються криві ВЭЗ-ВП: по горизонталі відкладаються АВ / 2, по вертикалі - η_k.

    Для пошуку локальних об'єктів прийнято застосовувати інший метод електророзвідки – електропрофілювання (ЕП).

        Ідея методу ЕП ще простіше, ніж ідея методу ВЕЗ. Виміри виробляються з такою ж електроровідковою установкою як у методі ВЕЗ, але тільки при одним-двох значеннях АВ/2. Установка профілювання переміщається по профілі спостережень із кроком від 5-10 до 50-100, залежно від розмірів шуканих тіл і необхідної детальності зйомки.

Висновок

        У методі ВЕЗ основний параметр УЕО досить різний і різко відрізняється при зондуванні різних порід і мінералів, і є відмінним методом для рішення завдання виявлення зіткнення водного середовища й гірських виробітків. Що необхідно для вчасній  установки водовідкачювальних елементів гірничодобувного комплексу.

Список літератури

1. В.К. Хмелевский, Електророзвідка, вид. 2-е - М.: Вид-во МДУ, 1984 г. С ил., 422с.

2. Методичний посібник для студентів геологічної спеціальності на тему: «ВЕЗ»