Геоконтроль на горных предприятиях

Москва  2018

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физических процессов горного производства 
и геоконтроля

Е.А. Новиков
В.Л. Шкуратник

ГЕОКОНТРОЛЬ НА ГОРНЫХ  
ПРЕДПРИЯТИЯХ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3369

УДК  622.1:55 
Н73

Р е ц е н з е н т : 
д-р техн. наук, проф. В.В. Мосейкин

Новиков Е.А.
Н73  
Геоконтроль на горных предприятиях : учеб. пособие / Е.А. Новиков, В.Л. Шкуратник. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 
172 с.
ISBN 978-5-907061-30-9

Учебное пособие охватывает все вопросы, изучение которых предусмотрено программой дисциплины. Подробно рассмотрены основные понятия геоконтроля, его содержание, задачи и место в системе информационного обеспечения освоения месторождений полезных ископаемых. Описаны методы 
определения физико-механических свойств горных пород на образцах и в массиве. Рассмотрены основы геофизических исследований массива, изложены 
методические подходы к контролю напряжённо-деформированного состояния 
геосреды. Рассматриваются вопросы контроля качества крепи и её взаимодействия с массивом, излагаются методы контроля процессов упрочнения и снижения фильтрационных свойств горных пород в массиве.
Учебное пособие представляет собой конспект лекций по всем разделам 
курса «Геоконтроль на горных предприятиях», направленного на ознакомление обучающихся с базовыми принципами, методами и техническими средствами получения информации о структуре, свойствах и состоянии горных 
пород и массивов, необходимой для принятия решений, обеспечивающих эффективное и безопасное освоение месторождений полезных ископаемых. 
Для студентов специальности 21.05.04 «Горное дело».

УДК 622.1:55


Е.А. Новиков, 
В.Л. Шкуратник, 2018
ISBN 978-5-907061-30-9

НИТУ «МИСиС», 2018

Содержание

Предисловие ..............................................................................................6
Раздел 1. Понятие геоконтроля, его содержание, задачи и место 
в системе информационного обеспечения освоения  
месторождений полезных ископаемых ...................................................8
1.1. Общие сведения ................................................................................ 8
1.2. Методы исследований, привлекаемые  
для решения задач геоконтроля ............................................................ 17
Раздел 2. Определение физико-механических свойств горных  
пород на образцах и в натурных условиях ...........................................22
2.1. Общие сведения .............................................................................. 22
2.2. Методы определения свойств горных пород на образцах.......... 24
2.2.1. Определение плотности .......................................................... 25
2.2.2. Определение связанности ....................................................... 25
2.2.3. Определение трещиноватости ................................................ 26
2.2.4. Определение влажности ......................................................... 28
2.2.5. Определение пористости ........................................................ 28
2.2.6. Определение прочностных свойств ....................................... 29
2.2.7. Определение твердости ........................................................... 34
2.2.8. Определение абразивности ..................................................... 37
2.2.9. Определение упругих свойств горных пород ....................... 38
2.2.10. Определение реологических свойств 
горных пород ...................................................................................... 42
2.2.11. Определение хрупкости и пластичности  
горных пород ...................................................................................... 43
2.3. Методы механических испытаний горных пород в массиве ..... 45
Раздел 3. Геофизические методы исследования  
массива горных пород .....................................................................................49
3.1. Общие сведения .............................................................................. 49
3.2. Гравиметрия ..................................................................................... 50
3.3. Магнитометрия ................................................................................ 56
3.3.1. Оптико-механические магнитометры ................................... 58
3.3.2. Феррозондовые магнитометры .............................................. 59
3.3.3. Протонные (ядерно-прецессионные) магнитометры .......... 60
3.3.4. Квантовые магнитометры ....................................................... 62
3.4. Электрометрия ................................................................................. 63
3.4.1. Метод сопротивлений ............................................................. 64
3.4.2. Метод поляризации.................................................................. 67

3.4.3. Метод электрохимической активности ................................. 69
3.4.4. Георадилокация ........................................................................ 69
3.5. Сейсмометрия .................................................................................. 74
3.6. Термометрия (геотермическая разведка) ...................................... 80
3.7. Ядерные методы .............................................................................. 84
3.7.1. Радио- и спектрометрия .......................................................... 86
3.7.2. Ядерно-геофизические методы .............................................. 92
3.8. Кавернометрия................................................................................. 94
3.9. Инклинометрия ............................................................................... 96
3.10. Видеокаротаж ................................................................................ 98
3.11. Комплексирование геофизических методов .............................. 99
Раздел 4. Контроль напряженно-деформированного состояния 
массива горных пород...........................................................................103
4.1. Общие сведения ............................................................................ 103
4.2. Геологические методы .................................................................. 105
4.3. Геомеханические методы ............................................................. 108
4.3.1. Методы полной разгрузки керна .......................................... 108
4.3.2. Методы частичной разгрузки ............................................... 109
4.3.3. Метод щелевой разгрузки ......................................................110
4.3.4. Метод упругих включений ....................................................111
4.3.5. Метод гидроразрыва ...............................................................112
4.3.6. Метод разности давлений ......................................................114
4.3.7. Метод буровых скважин ........................................................115
4.3.8. Метод параллельных скважин...............................................116
4.3.9. Метод компенсационной нагрузки .......................................116
4.3.10. Сравнительная характеристика геомеханических  
методов определения напряжений ..................................................118
4.4. Геофизические методы  ................................................................ 120
4.4.1. Ультразвуковые методы ........................................................ 120
4.4.2. Гамма-метод ........................................................................... 123
4.4.3. Электрометрический метод .................................................. 123
4.4.4. Звукометрический (сейсмоакустический) метод ............... 125
4.4.5. Методы, основанные на эффектах памяти  
в горных породах ............................................................................. 126
Раздел 5. Контроль качества крепи и ее взаимодействия  
с массивом .............................................................................................129
5.1. Общие сведения ............................................................................ 129
5.2. Контроль взаимодействия крепи с массивом ............................ 132
5.2.1. Виброакустический метод .................................................... 133

5.2.2. Метод толщинного резонанса .............................................. 134
5.2.3. Ультразвуковой эхо-импульсный метод .............................. 135
5.2.4. Динамометрический метод ................................................... 140
5.3. Контроль состояния анкерной крепи .......................................... 144
Раздел 6. Контроль процессов упрочнения и снижения 
фильтрационных свойств горных пород в массиве ...........................147
6.1. Общие сведения ............................................................................ 147
6.2. Контроль процесса тампонажа массива ..................................... 153
6.2.1. Расходометрические способы контроля.............................. 153
6.2.2. Геофизические способы контроля ....................................... 156
6.2.2.1. Акустический каротаж и прозвучивание ......................... 157
6.2.2.2. Метод электрических сопротивлений .............................. 161
6.3. Контроль качества ледопородного ограждения ........................ 163
Библиографический список .................................................................168

ПРЕДИСЛОВИЕ

Горное производство на стадии добычи полезных ископаемых может рассматриваться как чрезвычайно сложная природно-техническая 
система (ПТС), состоящая из совокупности взаимодействующих между собой и с окружающей геологической средой природных и технических конструктивных элементов, оборудования и технологических 
процессов. Необходимым условием поддержания устойчивости такой 
системы является управление состоянием и функционированием её 
отдельных элементов и системы в целом. В то же время известно, что 
эффективное управление любым объектом невозможно без надёжной 
информации о его структуре, свойствах и состоянии, а также их изменениях под влиянием как различных природных и технических дестабилизирующих факторов, так и управляющих воздействий. В настоящем учебном пособии рассматриваются методы и средства получения 
указанной информации применительно к такому объекту, как ПТС, 
обеспечивающему безопасное, эффективное и комплексное освоение 
недр.
Включение дисциплины «Геоконтроль на горных предприятиях» 
в учебные планы подготовки горных инженеров – технологов ставило 
своей целью дать им базовые знания в области получения качественной и количественной информации об объектах горного производства 
и протекающих в них процессах различной физической природы. При 
этом понятно, что задача реализации геоконтроля не входит в сферу 
непосредственной деятельности инженеров – технологов. Её решение 
требует объединения усилий самых разных специалистов: геологов, 
маркшейдеров, геомехаников, геофизиков и др. Однако технолог для 
своей эффективной деятельности должен правильно ориентироваться в возможностях и границах применимости тех или иных методов 
геоконтроля для грамотной постановки задач информационного обеспечения горных работ перед специализированными службами добывающих предприятий. 
Пособие состоит из 6 разделов, охватывающих широкий круг вопросов, которые в совокупности позволяют получить системное 
представление о геоконтроле. В то же время каждый из разделов в 
отдельности имеет самостоятельное значение и будет полезен студентам и специалистам при ознакомлении с методами и средствами, 
позволяющими решить ту или иную конкретную задачу информационного обеспечения горных работ. Так, в первом разделе рассма

триваются понятие геоконтроля, его содержание, задачи и место в 
системе информационного обеспечения освоения месторождений полезных ископаемых. Второй раздел посвящен определению физикомеханических свойств горных пород на образцах и непосредственно в 
массиве. Третий раздел призван познакомить студента с принципами 
реализации и возможностями геофизических методов геоконтроля, 
а четвёртый – с методами и средствами исследования напряжённо-деформированного состояния массива горных пород. Пятый раздел посвящен вопросам контроля взаимодействия крепи с массивом, а шестой – контролю процессов упрочнения и снижения фильтрационных 
свойств горных пород в массиве.

РАЗДЕЛ 1 
ПОНЯТИЕ ГЕОКОНТРОЛЯ,  
ЕГО СОДЕРЖАНИЕ, ЗАДАЧИ И МЕСТО 
В СИСТЕМЕ ИНФОРМАЦИОННОГО 
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ 
ИСКОПАЕМЫХ

1.1. Общие сведения

Добыча полезных ископаемых, как и другие направления освоения 
недр Земли, предполагает наличие разнообразной информации о геологической среде, происходящих в ней процессах и изменениях под 
влиянием природных и техногенных факторов различной физической 
природы. Получение такой информации осуществляется на различных стадиях разнопланового и разномасштабного изучения горных 
пород и массивов, осуществляемого с помощью геологоразведочных 
работ (ГРР), а также эксплуатационных исследований и контроля 
(геоконтроля – ГК).
ГРР начинаются задолго до начала строительства и функционирования горнодобывающего предприятия, когда геологическая среда еще не была подвержена техногенным воздействиям, связанным 
с созданием горных выработок различного назначения и добычей 
полезных ископаемых. После указанных воздействий массив горных 
пород должен рассматриваться уже не как чисто природное образование, а как некоторая сложная бинарная природно-техническая система (ПТС). Под такой системой понимается объективное единство 
вмещающей геологической среды и созданных в ней в результате человеческой деятельности технических объектов, которые, взаимодействуя между собой, функционируют и развиваются как единое целое, 
обеспечивая совместно реализацию всего технологического цикла добычи полезного ископаемого, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. 
Для обеспечения структурной и функциональной устойчивости 
ПТС необходимо управлять параметрами и режимами её функционирования, что возможно только при наличии соответствующего информационного обеспечения. Важнейшей составляющей последнего 

являются сведения об инженерно-геологических условиях (ИГУ) 
ПТС. Это сведения о рельефе поверхности массива, его структуре, 
составе, свойствах, состоянии, обводнённости, трещиноватости, разрывных нарушениях, закарстованности и др., а также происходящих 
в нём геологических и инженерно-геологических процессах, т.е. всех 
тех характеристиках геосреды, которые влияют на проектирование, 
строительство и эксплуатацию шахт, рудников и карьеров [1].
Процесс информационного обеспечения освоения месторождений полезных ископаемых (МПИ) является многостадийным 
(табл. 1.1). Он включает два вида работ: геологоразведочные работы 
[2] и геоконтроль [3].

Таблица 1.1
Виды, стадии и задачи информационного обеспечения  
освоения месторождений полезных ископаемых

Вид работ
Стадии работ
Задачи
Информация об ИГУ

Геологоразведочные

Поисковые
ГРР
Выявление МПИ

Общая информация об 
ИГУ, необходимая для построения фоновой модели 
ПТС

Оценочные
ГРР

Получение данных 
для предварительной 
оценки промышленной 
ценности МПИ

Уточнённая информация 
об ИГУ, необходимая для 
построения оценочной 
модели ПТС

Разведка 
МПИ

Получение данных 
для детальной оценки 
сложности разработки 
и промышленной ценности МПИ

Информация о параметрах 
ИГУ ПТС и факторах, 
усложняющих разработку МПИ, необходимая 
для обоснования базовой 
модели ПТС и прогноза 
динамики ИГУ

Эксплуатационная 
разведка

Получение геологических данных об условиях функционирования 
горнодобывающего 
предприятия

Информация, необходимая 
для разработки постоянно 
действующей модели ПТС 
и прогноза развития ИГУ 
в условиях ведения горных 
работ

Геоконтроль 

Эксплуатационные 
исследования 
и контроль

Получение данных о 
структуре, свойствах 
и состоянии горных 
пород и массивов и их 
динамике в процессе 
ведения горных работ 

Информация о динамике 
ИГУ и состояния ПТС, 
необходимая для эффективного и безопасного ведения 
горных работ

Первая стадия ГРР – поисковые работы, направленные на выявление месторождения полезных ископаемых и получение самой 
общей крупномасштабной информации об ИГУ его освоения. Такая 
информация позволяет разработать так называемую фоновую модель 
будущей ПТС.
Вторая стадия – оценочные ГРР, направленные на получение 
объективных данных о промышленной ценности месторождения полезных ископаемых с учетом инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических условий его потенциальной разработки. 
Такие данные позволяют построить оценочную модель будущей ПТС. 
Третья стадия предполагает разведку МПИ до такой степени детальности, которая позволяет подсчитать запасы полезных ископаемых, обосновать их кондиции, дать экономическую оценку целесообразности разработки месторождения. На этой стадии определяются 
основные компоненты и параметры ИГУ ПТС и оценивается сложность разработки, обосновывается базовая модель ПТС и прогнозируется динамика ИГУ при вскрытии месторождения.
Четвёртая стадия (эксплуатационная разведка) – направлена на 
получение геологической информации, необходимой для обеспечения 
нормальных условий функционирования горнодобывающего предприятия, разработки постоянно действующей модели ПТС и прогноза 
развития ИГУ в условиях ведения горных работ. По завершении ГРР, 
если их результаты свидетельствуют о целесообразности освоения разведанного месторождения, переходят сначала к горностроительным, 
затем к подготовительным и, наконец, к добычным работам на нем. 
Информационное обеспечение таких работ и является задачей геоконтроля, который проводится уже в реально существующей (хотя и на 
разных стадиях своего развития) ПТС, в то время как ГРР проводятся в 
условиях, когда ПТС лишь предполагается к реализации.
С учетом сказанного может быть дано следующее определение. 
Геоконтроль – это осуществляемый на стадиях строительства и 
функционирования горнодобывающего предприятия вид контроля, 
объектами которого являются массив горных пород, его отдельные 
структурные элементы и происходящие в них природные и техногенные процессы и явления, направленный на получение информации об 
указанных объектах (процессах, явлениях), необходимой для эффективного и безопасного освоения недр [4].
Первоначально (когда горно-геологические и горнотехнические 
условия ведения горных работ были ещё относительно благоприят

ны) ГК ограничивался эпизодическим получением отдельных сведений о свойствах, составе, структуре и состоянии горных пород и массивов. Со временем наметилась устойчивая тенденция к ухудшению 
условий разработки полезных ископаемых, обострению социальных 
и экологических проблем в горнодобывающих регионах. Это было 
связано с переходом на большие глубины, концентрацией и интенсификацией горных работ, обеднением минеральных ресурсов, увеличением интенсивности геодинамических явлений и т.д. Как следствие, 
объективной необходимостью стало развитие ГК как комплексной системы прогнозирования условий эксплуатации месторождений и надежного информационного обеспечения принятия технологических 
решений [5].
В рамках такой системы решаются две основные, характерные 
для контроля задачи. Первая из них сводится к получению первичной 
информации о фактическом состоянии изучаемого геологического 
объекта, о признаках и показателях его свойств, а также протекающих в этом объекте процессах. Вторая заключается в сопоставлении 
первичной информации с заранее установленными требованиями, 
нормами, критериями, т.е. в выявлении соответствия или несоответствия фактических параметров объекта требуемым (ожидаемым или 
прогнозируемым).  Информация о расхождении фактических и требуемых параметров используется далее для выработки управляющих 
воздействий на объект (процесс), подвергаемый контролю. Например, 
данные, получаемые в ходе контроля динамики напряженно-деформированного состояния массива в окрестностях горных выработок, 
могут быть использованы для управления их состоянием с целью 
повышения устойчивости. Таким образом, с указанных позиций ГК 
активен и должен рассматриваться как необходимая часть процесса 
управления. Более того, поскольку ГК все больше выступает как один 
из ведущих факторов, определяющих развитие горных технологий, 
его с полным основанием можно рассматривать как равноправный 
элемент этих технологий.
При таком подходе важнейшей задачей является обеспечение совместимости всех элементов горной технологии с ГК. Под совместимостью здесь понимается отсутствие или минимальный уровень 
такого их взаимного влияния, которое может привести, с одной стороны, к снижению эффективности технологических процессов, а с другой – к потере качества и количества извлекаемой в процессе контроля информации. В то же время необходимо учитывать, что в единой 

системе «технология – контроль» последний имеет подчиненное (обслуживающее) значение и, следовательно, оптимальным будет такой 
вариант ГК, который вписывается в производственный технологический процесс, не нарушая нормального режима его реализации.
Из сказанного вытекает одна из главных специфических особенностей ГК (по сравнению с разведочными работами на массиве), которая заключается в необходимости его проведения в условиях помех и 
помеховых факторов различной физической природы, неизбежно возникающих в ходе ведения горных работ. 
«В современных условиях проблема помехоустойчивости выдвигается на первый план. Она останется важнейшей и в предвидимом будущем» [6]. Эти слова академика А.А. Харкевича, сказанные им ещё 
в 1963 г., относились к области передачи информации. Однако они с 
полным основанием могут быть отнесены и к геоконтролю, тем более, 
что последний сводится, в конечно счете, к извлечению, передаче и обработке информации о соответствующих объектах и процессах.
Решаемые в рамках ГК задачи информационного обеспечения освоения недр условно могут быть объединены в следующие группы:
1. Определение в лабораторных и полевых условиях прочностных, 
упругих, деформационных, реологических, плотностных, волновых и 
др. свойств горных пород, в том числе в условиях изменяющихся напряжений, влажности и температур.
2. Структурная диагностика массива в зоне ведения горных работ и окрестностях горных выработок (изучение геологического 
строения, размеров и ориентации отдельных структурных элементов, 
границ полезного ископаемого и вмещающих пород; выявление и 
установление характеристик включений с аномальными физико-механическими свойствами и др.).
3. Оценка разномасштабной структурной поврежденности и 
неоднородности исследуемой геосреды (выявление, оконтуривание 
и определение параметров зон выветривания, трещиноватости, дробления, а также различных типов нарушений, таких как расслоения, 
заколы, карсты, разломы, разрывы, мульды, размывы, сбросы, очаги 
водной опасности и др.).
4. Изучение напряженно-деформированного состояния и устойчивости конструктивных элементов систем разработки и окрестностей горных выработок различного назначения (диагностика 
исходного поля напряжений в массиве; исследование пространственно-временной динамики напряжений в результате техногенных воздей

ствий на массив, включая образование выработанного пространства; 
определение тензора напряжений, а также направлений и величин главных напряжений; выявление зон концентраций напряжений; сигнализация о превышении критических уровней напряжений и др.).
5. Прогноз и оценка параметров опасных динамических и негативных геомеханических явлений в зоне ведения горных работ, 
таких как горные удары, выбросы угля и газа, колебания геосреды 
под влиянием сейсмического действия взрыва, обрушения кровли 
выработок, разрушения целиков, деформации, смещения, сдвижения 
участков массива и др. 
6. Контроль технологических процессов при ведении горных 
работ (упрочнения и герметизации участков массива при создании 
ледопородных ограждений и противофильтрационных завес, тампонаже, цементации и других воздействиях; качества взрывного разрушения; ориентации и глубины пробуренных скважин; направления 
перемещения фронта горения при подземной газификации угля и др.).
7. Неразрушающий контроль и диагностика состояния технических элементов природно-технических объектов в массиве, а также 
процессов взаимодействия этих элементов с геологической средой.
8. Контроль качества полезных ископаемых непосредственно 
в массиве для управления технологическими процессами их добычи 
и переработки.
Отмеченные выше и другие задачи геоконтроля так или иначе связаны с оценкой на различных масштабных уровнях свойств, структуры и состояния горных пород и массивов.
Свойства горных пород – это объективно существующие их особенности, проявляющиеся при взаимодействии с различными полями или веществами и приводящие к определенным изменениям либо 
горной породы, либо взаимодействующих с ней полей и веществ [7]. 
Если процессы указанного взаимодействия не сопровождаются изменениями химического состава образующих горную породу минеральных компонентов, то соответствующие свойства принято называть 
физическими.
Понятие структуры (от латинского structure – строение, расположение, порядок) горных пород и массивов отражает особенности 
их строения и разномасштабную неоднородность, размеры, форму и 
взаимное расположение отдельных структурных элементов, а также 
характер связей между ними, обеспечивающих целостность и тождественность самим себе исследуемых объектов геологической среды.