ВведениеПроблема обеспечения продовольствием постоянно растущего населения планеты характеризуется абсолютной актуальностью. Ее решение неразрывно связано с объемами и качеством минеральных удобрений, основным источником которых являются месторождения калийных и магниевых солей.Россия занимает второе место в мире после Канады по количеству извлекаемых запасов и по объему прогнозных ресурсов калийных солей. В стране сосредоточена почти четверть мировых извлекаемых запасов, а объем ресурсов превышает 15 % мировых. Более 80 % разведанных запасов сосредоточено в крупнейшем в Европе Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей (ВКМКС) в Пермском крае. Разведано и эксплуатируется Гремячинское месторождение в Волгоградской области, открыты Нивенское в Калининградской области, Западно- и Восточно-Петриковское месторождения в Саратовской области, Непское в Иркутской области. Все перечисленные месторождения на территории России, а также за ее пределами, например Саскачеванское в Канаде, Старобинское в Белоруссии, Тюбегатанское в Узбекистане, различаются горно-геологическими условиями разработки. Независимо от этого, главным условием обеспечения безопасной подземной разработки месторождений водорастворимых полезных ископаемых является сохранение полной водонепроницаемости пород водозащитной толщи (ВЗТ), перекрывающей доступ подземных вод в горные выработки. Нарушение сохранности ВЗТ привело к затоплению десятков калийных и каменно-соляных рудников в разных странах мира.Например, для Саскачеванского месторождения главный камень преткновения в обеспечении безопасной разработки – зоны обрушения (collapse zone ) [1]. Подобные неоднородности большей частью приурочены к краевым частям рифогенных структур девонского возраста [2]. Для Тюбегатанского месторождения в рамках решения той же задачи основную проблему представляют элементы разрывной тектоники [3, 4].С целью выявления аномальных геологических особенностей ВЗТ и определения степени их опасности для горных работ в основном применяются геофизические методы. Обоснование применимости того или иного метода базируется на физико-геологической модели исследуемого интервала геологического разреза. В условиях пластового залегания контролируемых отложений, которое характерно для большинства калийных месторождений, наибольшее распространение получили сейсморазведочные исследования.На Саскачеванском месторождении еще в 80-х годах прошлого века достаточно широко внедрялась наземная 2D- и 3D-сейсморазведка [5] в комплексе с шахтными сейсмоакустическими исследованиями [6]. Аналогичный комплекс методов развивается на Гремячинском месторождении [7]. Для Тюбегатанского месторождения уже в этом веке выполнен целый комплекс геофизических методов, включающий наземные: сейсмо-, электро- и гравиразведку –  и скважинные сейсмические исследования [4].На сегодняшний день наиболее широкое применение геофизических методов для решения горно-геологических задач, возникающих на различных стадиях горного производства, отмечается в пределах ВКМКС.Верхнекамское месторождение эксплуатируется с 30-х годов прошлого столетия, а геофизические работы проводятся на его территории с 1920-х годов. Применялись в основном гравиметрические, магнитометрические, сейсмические (МПВ) и электрометрические исследования. На сегодняшний день продолжается применение сейсмоакустических, гравиметрических и электрометрических методов разведочной геофизики. Подобное содержание геофизического комплекса базируется на физико-геологической модели исследуемого интервала геологического разреза [8] (рис. 1) с учетом современного уровня развития данных методов.Рисунок 1. Обобщенная физико-геологическая модель для ВКМКСМетод и теорияВ перечень важнейших задач, возникающих в пределах современного эксплуатируемого калийного месторождения, входят:прогноз особенностей геологического строения на новых площадях отработки с целью информационного обеспечения геомеханических расчетов параметров ведения горных работ;мониторинг строения и физических свойств водозащитной толщи над ранее отработанными площадями и на аварийных участках;контроль состояния разного рода элементов подземных горнотехнических конструктивов;изучение устойчивости элементов зданий и сооружений на подработанной территории, оценка экологических рисков.Для их решения применяются геофизические технологии различной разрешающей способности и информационной составляющей для наблюдений с поверхности и во внутренних точках среды. Основные особенности данных технологий обусловлены как природными, так и техногенными факторами. К природным факторам относятся незначительные глубина залегания и размеры объектов исследований, значительная латеральная изменчивость их строения и свойств, нефтеносность подстилающих отложений. Техногенные включают значительные объемы выработанного пространства, территориальную совмещенность с градопромышленными агломерациями.1. Прогноз особенностей геологического строенияЗдесь ведущее место занимают сейсмо- и электроразведочные методы исследования. Из сейсморазведочных применяется методика многократных перекрытий (ММП) с использованием интерференционных систем регистрации [9]. Параметры системы регистрации обеспечивают уверенную регистрацию отраженных волн в целевом интервале глубин (до 500 м) в частотном диапазоне до 120 Гц, что соответствует требованиям высокоразрешающей сейсморазведки (рис. 2). Цифровая обработка направлена на выделение опорных отражающих горизонтов в интервале глубин от 100 до 400 м: ТКТ – кровля терригенно-карбонатной толщи, СМТ – кровля соляно-мергельной толщи, ПКС – кровля покровной каменной соли или ВС (верхняя соль), Карн. – кровля продуктивной толщи, Сил. – граница между карналлитовой и сильвинитовой пачками, МГ – интервал маркирующей глины, С – подошва подстилающей каменной соли. При этом не допускается их повышенная регуляризация, традиционная при решении типовых структурных задач.При выполнении площадных (квази-3D) и пространственных (3D) наблюдений информационное обеспечение интерпретационного этапа расширяется за счет возможности анализа пространственных распределений сейсморазведочных параметров. В основном решаются задачи, связанные с локализацией объектов поиска.Квазипространственные наблюдения организуются при отсутствии прямого доступа к изучаемым участкам: под зданиями и сооружениями, на аварийных участках. Линии приема и возбуждения упругих колебаний разносятся по границам изучаемой территории. Суммирование пространственных выборок по пунктам приема (ОР), пунктам возбуждения (SP) и точкам отражения (ОГТ) позволяет конкретизировать положение аномалии образующих объектов относительно линии точек отражения [10].Наблюдения 3D выполняются на участках, требующих детальных исследований. Получаемые кубы сейсмической информации характеризуются повышенной пространственной разрешенностью относительно профильных и площадных систем наблюдений, что позволяет прослеживать в амплитудных представлениях геометрические трансформации локальных литолого-структурных неоднородностей ВЗТ (рис. 3). Рисунок 2.  Динамический временной разрез по результатам наземных сейсморазведочных наблюдений Рисунок 3. Результаты обработки данных малоглубинных исследований 3D: вертикальные срезы куба сейсмических данных меридионального (а) и широтного простирания (б)Из электроразведочных в основном применяются методы на постоянном токе в комплексе с оценкой изменчивости естественной поляризации (ЕП): вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), симметричное электропрофилирование (СЭП) и ЕП (рис. 4).Рисунок 4. Геоэлектрический разрез по данным ВЭЗКомплексная интерпретация сейсмо- и электроразведочных данных позволяет локализовать потенциально опасные участки, характеризующиеся пониженными упругими свойствами исследуемых отложений и повышенной интенсивностью гидрогеологических процессов в надсоляной толще, что учитывается при формировании исходной физико-геологической модели для геомеханических расчетов [4] (рис. 5).Рисунок 5. Исходная модельДля детализации геологического строения и определения свойств породного массива на уровне продуктивных пластов и прилегающих к ним пластов ВЗТ выполняются сейсморазведочные исследования из горных выработок (рис. 6). Регистрация сейсмических данных во внутренних точках среды обеспечивает разрешающую способность до 1 м в направлении распространения упругих волн. При этом положение нижней границы выделяемых участков определяется наиболее достоверно.При проведении работ во внутренних точках среды за счет изменения частотного диапазона возможно появление дополнительных ОГ (снизу вверх по разрезу): Гк-, Дк-, Ек-, Ик-кровля карналлитовых пластов Г, Д, Е, И; ПКСп-, ПКСк-подошва и кровля покровной каменной соли. Целевой интервал при наблюдениях в верхнее полупространство, как правило, не превышает 150 м [11] (рис. 6).Рисунок 6. Динамический временной разрез по результатам шахтных сейсморазведочных наблюденийВ случае реализации наземно-подземного комплекса сейсмических исследований выполняется построение разноуровневых моделей реальных сред, согласованных по эффективным кинематическим параметрам. За счет разрешающей способности шахтных сейсмических исследований повышается точность вертикальной локализации геологических неоднородностей, определения их строения и свойств. Физико-геологические модели повышенной детальности, построенные по результатам комплекса сейсморазведочных исследований, используются в текущих и в прогнозных геомеханических оценках состояния ВЗТ и на потенциально опасных участках шахтных полей действующих калийных рудников [12].В случае отсутствия горнотехнических условий проведения сейсмоакустических наблюдений из горных выработок повышение разрешающей способности интерпретационных заключений возможно за счет включения в комплекс сейсморазведочного контроля горнотехнических ситуаций блока скважинных модификаций. Содержание данного блока определяется необходимой разрешающей способностью и качеством параметрического обеспечения, как на поверхности, так и во внутренних точках среды [13].С целью определения скоростных параметров породного массива наиболее информативными для интервала малых глубин зарекомендовали себя продольное, непродольное и обращенное вертикальное сейсмопрофилирование (ВСП), а также межскважинное просвечивание [14, 15].В целях картирования малоразмерных природно-техногенных объектов предложено скважинное сейсмическое профилирование в рамках методики многократных перекрытий (рис. 7) [16]. Предполагается наличие вертикально ориентированных отражающих границ, удаление которых от скважины оценивается в горизонтальном направлении.Рисунок 7. Динамический временной разрез по результатам шахтных сейсморазведочных наблюдений. Результаты обработки скважинного ОГТ, разрезы: а) временной, б) динамический, в) скоростной, г) частотныйПо гравиметрическим данным выявляются зоны распространения и вероятный интервал глубин разуплотнения горных пород. Например, на рис. 8 приведено вертикальное сечение гравитационного поля через скважины 1 и 2. В районе скважин наблюдаются две изолированные отрицательные аномалии на эффективных глубинах порядка 100 м, отражающие зоны разуплотнения в надсоляной толще.Рисунок 8. Вертикальное сечение трехмерной трансформанты гравитационного поля2. Мониторинг строения и физических свойствПри мониторинге территории действующих шахтных полей с целью определения участков, требующих повышенной детальности сейсмо- и электроразведочных исследований, выполняются гравиметрические наблюдения. Среднеквадратическая погрешность определения силы тяжести не должна превышать ± 0,02 мГал. Основная задача – картирование зон разуплотнения в исследуемом интервале породного массива. Количественная оценка глубины залегания источников локальных аномалий определяется на основе решения трехмерной обратной задачи гравиразведки с использованием монтажных технологий (рис. 9).Рисунок 9. Пространственное распределение функции локализации источников локальных гравитационных аномалийСочетание полученных результатов в пределах одной территории работ позволяет конкретизировать природу интерпретационных заключений. Например, по совокупности негативных изменений геофизических параметров в пределах горного отвода калийного месторождения в рамках геофизического комплекса, включающего сейсмо-, электро- и гравиразведку, выделено три участка (рис. 10): 1) на северо-востоке (зоны 1 и 2 сейсморазведочных аномалий) характеризуется пониженными значениями упругих параметров – скорости и плотности, а также удельного электрического сопротивления; 2) в центре (зона 4 сейсморазведочных аномалий) аналогичные признаки по негативным изменениям всех трех составляющих; 3) на юго-западе площади работ отмечается снижение значений упругих параметров при противоречивом поведении электрометрических параметров от незначительного понижения к преобладающему повышению значений.Подобные сочетания рассматриваемых геофизических параметров позволяют предположить понижение прочностных свойств в целом для надсоляной и соляной толщ на всех трех участках, при этом на первых двух имеет место реализация негативных гидрогеологических процессов.Рисунок 10.  Результаты комплексной интерпретации сейсмо-, электро- и гравиразведочных исследованийВ пределах действующих шахтных полей на месторождениях водорастворимых полезных ископаемых возникновение так называемых аварийных участков не является чем-то из ряда вон выходящим. На сегодня известно около 100 рудников, вышедших из строя вследствие прорыва в выработанное пространство надсоляных вод. В пределах ВКМКС таковых два: на Балахонцевском (1986) и Березниковском (2006) участках. При эксплуатации подобных месторождений вероятно появление участков с потенциальными рисками нарушения сплошности водозащитной толщи (ВЗТ) за счет недоучета локальных особенностей геологического строения и латеральной изменчивости физико-механических свойств породного массива.Основной критерий выделения – увеличение скоростей оседания, возможна микросейсмическая активность. На первом этапе их изучения выполняются: визуальное обследование горных выработок, маркшейдерские и геофизические наблюдения с последующей геомеханической оценкой [12].Далее по результатам геомеханических расчетов определяется необходимость организации геофизических мониторинговых наблюдений, их содержание и периодичность. Периодическое получение информации об изменении упругих свойств позволяет спроектировать и реализовать необходимые горнотехнические меры для поддержания устойчивости породного массива. Данная возможность крайне важна в аварийных ситуациях для оценки эффективности мер, принимаемых по их купированию (рис. 11).Рисунок 11. Инъекция тампонажного раствора в зону максимальных негативных изменений значений упругих параметровОценка эффективности подобной меры выполняется по изменчивости значений интервальных скоростей распространения упругих волн в зоне воздействия (рис. 12). В приведенном примере на забое инъекционной скважины в интервале ОГ ВС – Ек отмечается рост значений интервальной скорости до 200 м/с. Подобное изменение упругих параметров позволяет предположить укрепление дезинтегрированной зоны породного массива. Рисунок 12. Сейсмогеологические разрезы: а) сентябрь, б) ноябрь, в) разность разрезовВ случае необходимости организации непрерывного онлайн-мониторинга упругих свойств породного массива применяется технология распределенных оптоволоконных акустических датчиков [17].На одном из аварийных участков соляного рудника смонтирована оптоволоконная система, представляющая собой единую оптическую линию, позволяющую регистрировать разнотипные прямые и преломленные волны одновременно во всех скважинах. Достоверность информации подтверждается сравнением данных, зарегистрированных традиционными датчиками и оптоволоконной системой (рис. 13).Основным недостатком системы DAS на данный момент является низкое отношение сигнал/шум. В этой связи в условиях мониторинга с постоянным источником упругих колебаний применяется повышенное количество возбуждений [18]. Рисунок 13. Сравнение волновых картин, регистрируемых гидрофонами (а, б) и с помощью распределенной оптоволоконной системы (в, г)3. Контроль состоянияГеометрия и расположение горных выработок в шахтном поле ограничивает пространственную приуроченность получаемой информации о строении и свойствах породного массива. С другой стороны, за счет особенностей конфигурации выработанного пространства возможны исследования с различной пространственной ориентацией, комплексирование которых формирует объемные представления об особенностях строения и свойствах породного массива в окрестностях горной выработки.На большинстве калийных месторождений при подземной разработке применяется камерно-столбовая система. Контроль состояния обеспечивающих ее устойчивость горнотехнических элементов – обязательная и необходимая мера. Известны методические решения по прогнозу остаточного срока службы межкамерных целиков, основанные на информации об ослаблении прочностных свойств пород в приконтурной части целика за счет применения сейсмоакустического просвечивания на отраженных волнах [19] (рис. 14).Рисунок 14. Временной разрез межкамерного целика: I – граница ближней зоны влияния выработки, II – граница дальней зоны влияния выработки, III – дальняя стенка выработкиОсвоение подземного пространства любого калийного рудника начинается с проходки шахтных стволов. Наиболее распространен способ заморозки, направленный на купирование пересекаемых водоносных пластов. При его реализации обязателен мониторинг формирования ледопородного массива, где применяются сейсмоакустические исследования в рамках методических решений скважинного ОГТ [16]. При последующей эксплуатации ствола за счет прекращения замораживающих процедур вероятно появление локальных водопритоков в затюбинговом пространстве. Здесь для изучения малоразмерных объектов (< 1 м) породного массива, залегающих на незначительной удаленности от выработанного пространства (< 10 м), по очевидным причинам целесообразно проводить исследования в акустическом диапазоне частот (> 3 кГц) [11].Возможности применения сейсморазведочных подходов в акустическом диапазоне частот, как и мониторинге ледопородного массива, обуславливаются наличием вертикально ориентированных отражающих границ – тюбинг, цементное кольцо, породный массив. Данная модель характеризуется изменчивостью упругих и геометрических параметров основных структурных элементов. Подобные исследования реализованы на шахтных стволах различных рудников. На рис. 15 представлены результаты одного из таких исследований. Работы проводились с целью выявления зон повышенной циркуляции воды за стволовой крепью.Рисунок 15. Результаты цифровой обработки акустических данных ОГТ в диапазонах частот: а) 10–20 кГц; б) 3–10 кГцОбработка проведена отдельно в двух неперекрывающихся частотных диапазонах: 1) 3–10 кГц, 2) 10–20 кГц. Разделение волнового поля на условно низкочастотную и высокочастотную составляющие акустических колебаний позволило повысить разрешающую способность в ближайшем интервале исследований (до 3–5 м) и увеличить глубинность наблюдений до 10 м.4. Изучение устойчивостиТерритории шахтных полей часто совмещены с урбанизированными территориями, что представляет потенциальную угрозу для их инфраструктуры. Для подобных территорий сформированы две системы мониторинга породного массива. Первая система мониторинга, представленная в разделе 2, направлена на контроль изменений строения и свойств разрабатываемого интервала глубин породного массива, отвечающего за устойчивость подземных и поверхностных сооружений. Подобная организация системы мониторинга и легла в основу контроля строения и свойств верхней части разреза (ВЧР) урбанизированных территорий над горными выработками. Геофизические исследования представлены в основном наземными и скважинными сейсморазведочными исследованиями, как ВЗТ, так и ВЧР в комплексе с наземной электроразведкой на постоянном токе [20].Детальность, периодичность наблюдений и необходимость дополнительных видов мониторинга определяется с учетом получаемых результатов. По результатам геолого-геофизических исследований выполняется количественная геомеханическая оценка деформаций породного массива с учетом оседаний земной поверхности. На ее основе осуществляется прогноз их воздействия на здания и сооружения с рекомендациями по конструктивным мерам защиты и организации онлайн-мониторинга зданий и упругих свойств верхней части разреза.Особое значение в пределах подобных территорий приобретают вопросы контроля и экологической обстановки, влияющей на повседневную жизнедеятельность населения. Калийное производство, как и любое другое, связано с появлением определенного вида отходов, которые утилизируются в рамках согласованных полигонов. Наиболее перспективным способом экологической диагностики загрязнения подземных вод территорий, подвергающихся техногенным воздействиям от солеотвалов и шламохранилищ, является применение электроразведки методом сопротивлений – СЭП, ВЭЗ, электротомография. На основе анализа данных качественной и количественной интерпретации определяется пространственная закономерность аномальных участков пониженных значений электрических сопротивлений, связанных с повышенной минерализацией подземных вод.Рисунок 16. Результаты электроразведки при выделении зоны пониженных сопротивленийВыводыПрименение современных геофизических технологий позволяет снизить горно-геологические риски, возникающие при эксплуатации любого калийного месторождения. Результаты их применения могут использоваться как напрямую при прогнозировании разного рода деструктивных процессов породного массива в интервале техногенного воздействия, так и для параметрического обеспечения геомеханических оценок степени данного воздействия. БлагодарностиРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания «ГИ УрО РАН» (рег. номер 124020500029-1)