CC BY
54
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
М.Д. Молев, к.т.н.,
Ростовуголь
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЫБОРА КОМПЛЕКСА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Основным направлением повышения экономической эффективности работы угольных шахт России, по мнению, преобладающему среди ученых и спе-циалистов-практиков, является внедрение в производство современных технологий, адекватных конкретным горно-геологическим условиям добычи угля.
Одним из важнейших элементов методики разработки оптимальных технологических схем ведения горных работ служит надежная информация о геологическом строении и состоянии углепородного массива.
При неравномерном пространственном распределении в массиве различных горно-геологических нарушений достоверные сведения позволяет получить шахтная геофизика, опирающаяся на результаты объемных инструментальных наблюдений. Применению подземных геофизических методов способствуют, как показала практика, следующие факторы: высокая надежность данных; существенный экономический выигрыш, выражающийся в снижении материальных затрат при использовании в процессе выбора технологии достоверной информации, которая получена посредством относительно дешевых геофизических работ.
Анализ представительного массива результатов подземных геофизических исследований в Восточном Донбассе показал, что для получения исчерпывающих сведений о геологическом строении углевмещающей среды необходимо разработать универсальный методологический подход, определить основные принципы и реализовать их в технологиях шахтной съемки и методиках ин-
терпретации полученных материалов. Выполнение шахтных геофизических измерений по научно обоснованной методологии означает выход на качественно новый уровень, соответствующий современным требованиям технологических служб угольных предприятий. Исходной точкой в разработке методологических основ шахтной геофизики служат физико-геологические условия углепородного массива и горнотехнические факторы, определяемые технологическими процессами.
Главное требование инженерных служб угледобывающих предприятий выражается в том, что геофизический прогноз должен содержать полную информацию обо всех горно-геологических нарушениях среды, отрицательно влияющих на эффективную механизированную добычу антрацита. Таким образом, необходимо было разработать комплекс методов, с помощью которого можно оценить не единичный объект (залежь полезного ископаемого, тектоническое нарушение), как в большинстве задач разведочной геофизики, а одновременно весь набор факторов, определяющих строение углепородного массива.
С теоретической точки зрения наибольшую сложность представляет переход от полупространства, которое рассматривается при полевых геофизических исследованиях, к полному пространству в случае шахтных измерений. В разрабатываемых технологиях подземной геофизики обязательно следует учитывать, что искомые геологические объекты могут находиться в любом направлении от горной выработки (профиля наблю-
дений): в кровле, в почве и т. д. В связи с этим полностью изменяется характер распространения физических полей, интерпретационные модели и расчетные формулы.
Применяемые методы и методики шахтной съемки должны быть гармонично увязаны с принятыми технологическими схемами добычи угля. В частности, взаимное расположение источников и приемников геофизических полей, длина и направление профилей наблюдений определяется системой горных выработок, проведенных в массиве заблаговременно до выполнения геофизических измерений и независимо от них.
Учитывая технологические требования и физико-геологические условия, был сформулирован основной элемент методологии шахтной геофизики - принцип системности. Сущностью системного подхода является представление углевмещающего массива в виде совокупности случайно распределенных взаимосвязанных элементов - геологических объектов и горнотехнических факторов, а используемых геофизических методов - в качестве составных частей (подсистем) сложного исследовательского комплекса. Аналитические и экспериментальные исследования убедительно показывают, что только полный учет всех факторов в их взаимосвязи (информационный анализ) при априорном модельном представлении массива и последующее комплексное изучение всего спектра составляющих строения среды набором методов позволяет составить геофизический прогноз максимально высокого уровня надежности. Так, сопоставительный
анализ прогнозных данных по 152 сложно-построенным нарушенным зонам в 45 выемочных столбах показал, что надежность прогноза каким-либо одним методом составляет 65 - 79%, а комплексом методов - 80 - 90 %.
Методология шахтной геофизики определяет логическую цепь исследований по созданию системы прогнозирования горно-геологических и горнотехнических условий добычи угля. Обязательными этапами разработки должны быть: а) оценка общего строения геологической среды и особенностей отдельных объектов, а также закономерностей распространения физических полей в углевмещающем массиве посредством физикогеологического и математического моделирования с привлечением результатов шахтных экспериментов на эталонных объектах; б) концептуальная разработка комплекса геофизических методов на основе установленных зависимостей параметров полей от физикогеологических условий; в) оптимизация геофизического комплекса, в том числе: выбор базового метода, определение порядка применения отдельных модификаций, разработка технологичных методик шахтных измерений, увязанных между собой, т. е. подчиняющихся принципам самоорганизации и саморегуляции, - в целях получения необходимого и достаточного количества информации; г) создание эффективной методики комплексной интерпретации с количественной оценкой параметров прогнозируемых неоднородностей массива; д) совместное геолого-геофизическое технологическое истолкование полученных данных; е) разработка регистрирующих приборов; ж) оценка геологической и экономической эффективности.
Изложенные методологические основы наглядно иллюстрируются результатами разработки комплекса подземных геофизических исследований углевмещающего массива Восточного Донбасса.
создан параметрический ряд физико-геологических моделей
(ФГМ), включающий геофизический разрез массива в целом и составляющих его геологических объектов. В общем виде под ФГМ углевмещающего массива понимается обобщенное и формализованное описание пространственновременной структуры геологических и геофизических полей и геометрических параметров взаимосвязанных геологических объектов, с определенной степенью вероятности отражающей реальную геологическую среду.
При разработке ФГМ углепородного массива оценивалась область, существенная для распространения физического поля (электромагнитного, волнового). В связи с тем, что оцениваемая область: а) является частью массива, фрагментом геологической толщи; б) служит каналом для распространения физических полей и определяет их регистрируемые па-
раметры; автор считает правомерным назвать данную область гео-лого-геофизическим функцио-нальным комплексом (ГГФК).
Анализ результатов параметрических измерений установкой симметричного профилирования А1МШ в горных выработках позволил установить, что значения удельного электрического сопротивления (у.э.с.) угля р а, р п и пород нарушенной зоны рн находятся в следующих пределах: ра = 0,1 - 1 Омм;
= 12 - 200 Омм; р н= 25 - 600 Омм.
Экспериментальные кривые подземных электрических зондирований (ПЭЗ) подобны кривым двухслойной палетки и палетки ПЭЗ В.К. Хмевс-кого (рис. 1, а). Таким образом, геоэлектричес-кий разрез ненарушенного углевмещающего массива с учетом геоло-гических данных пред-ставляется в виде тонко-го хорошо проводящего пласта антрацита в квазиоднород-ной среде высокого сопротивления (рис. 1, б). Поскольку, по данным горных работ минимальное расстояние между двумя угольными пластами составляет 12 - 14 м, а экспериментальные кривые ПЭЗ аппроксимируются двухслойной палеткой, то вертикальный размер ГГФК принимается равным 20 -25 м.
На основании изучения распределения сейсмических характеристик разреза углепородный массив моделируется пластом -волноводом в квазиоднородной среде, величина ГГФК которой оценивается длиной волны.
По параметрам полученного геоэлектрического разреза методом зеркальных изображений автору удалось решить прямую задачу о распределении потенциала иа электрического поля точечного
Для конкретных условий ан-
п
Р
источника в зависимости от расстояния по формуле:
1ра 1 к
и° =А + 2Е I 2 2 г)
4п х ^ л/х2 + 412 h2
где I - ток источника поля, мА; ра -у. э. с. пласта, Омм; х - расстояние от источника до расчетной точки
О, м; h - расстояние от центра пласта до границы с вмещающими породами, м; К - коэффициент отражения; i - число операций отражения.
Также был рассчитан график распределения потенциала и° для однородной среды с сопротивлением ра, по формуле
I ра
и° =-------.
4 л х
Расчетные кривые иа и ио приведены на рис. 2.
Анализ полученных зависимостей распределения показывает, что на расстоянии 150 - 250 м от источника соблюдается соотношение иа/ио > 90, т. е. угольный пласт обладает направляющим действием по отношению к электрическому полю. При этом 98 % энергии распространяется по пласту. Наличие указанного эффекта позволило теоретически обосновать два важнейших методических решения, хорошо согласующихся с технологией подготовительных и очистных работ:
♦ способ задания и регистрации электрического поля - в угольном пласте;
♦ метод изучения строения углевмещающего массива - электрическое просвечивание между горными выработками.
По данным электропрофилирования, сейсмопросвечивания и геологической документации были построены геоэлектрические, сейсмогеологические и обобщенные геофизические модели разрывных, пликативных и генетических нарушений, составившие параметрический ряд. В частности, дизъюнктив аппроксимируется вытянутым эллипсоидом, большие оси которого расположены в плоскости сместителя, а малая ось - по
обе стороны от нее по простиранию пласта (рис. 3). Для оценки геомеханического состояния пород кровли и почвы угольного пласта была разработана специальная
модель, учитывающая преимущественно-вертикальное изменение геологических, механических и физических характеристик - физи-ко-геомеханическая модель с вертикальным градиентом характеристик (ФГММ-ВГХ).
Физическим и математическим моделированием установлено влияние модели нарушения на электрическое поле. С учетом модельных данных и результатов аналитических расчетов были проведены натурные эксперименты на условно эталонных объектах
(тектонических нарушениях). Условность заключалась в том, что параметры нарушений стали известны после отработки нарушенных участков лавой, и, таким образом, было получено решение прямых задач о влиянии реальных неоднородностей на поле источника. На основе систематизации полученных данных и обращения решений прямых задач автором синтезирован ряд аномальных кривых для количественной оценки параметров нарушений.
По результатам моделирования были разработаны и испытаны в шахтных условиях различные модификации геоэлектрического метода. Параллельно изучались возможности сейсморазведки посредством испытания методик, предложенных другими исследователями. Создание методик осуществлялось по циклической схеме, анализ результатов экспериментов совместно с фактическими данными горных работ, корректировка отдельных положений методики на основании анализа.
Сопоставительный анализ прогнозных данных и материалов отработки позволили оценить технические характеристики методов (надежность, разрешающую способность, информативность), а также степень приближения интерпретационных моделей к реальным геологическим объектам.
Обработка представительного массива экспериментальных данных дала возможность создать комплекс вероятно-статистических методов интерпретации, направленных на достижение высокой надежности прогнозов.
В результате опытно-методических исследований сложился комплекс методов шахтной геофизики для оценки строения углевмещающего массива: изкочастотное электрическое просвечивание, сейсморазведка и геоакустический спектральный метод. Для оценки краевых частей выемочного поля возможно применение радиоволнового просвечивания.
Важнейшим этапом подземных геофизических исследований является интерпретация полученных результатов. Автором разработана методика комплексной интерпретации, в основе которой лежит распознавание образов нарушений посредством сравнения экспериментальных кривых с эталонными графиками. Количественная оценка параметров нарушений производится по комплексу критериев, разработанных на основе уравнений корреляционных связей между аномалиями физических полей и геометрическими характеристиками неоднородностей.
Важной особенностью данной системы интерпретации является многофакторный анализ разно-
уровневой информации: геологической, геофизической и горнотехнической. Вторая особенность -комплексная интерпретация с
привлечением обобщенных геофизических моделей. Указанный прием применяется в связи с тем, что ряд типов нарушений удается идентифицировать только путем сравнения геоэлектрических и сейсмических моделей.
Вся информации аккумулируется в банке данных, постоянно пополняется и анализируется. Регулярный анализ обеспечивает уточнение интерпретационных мо-делей, разработку дополнительных критериев оценки, что способствует повышению надежности прогноза.
На современном этапе исследований достигнуты следующие основные технические показатели: надежность обнаружения аномаль-ных объектов внутри межвырабо-точного пространства ("слепые" нарушения) - на уровне 90%, погрешность определения геометрических параметров - не более 15%.
Качественно новым уровнем реализации основных методологических принципов шахтной геофи-
зики автору представляется создание в пределах угольного бассейна региональной системы подземных геофизических исследований строения углепородного массива (дискретного геофизического мониторинга). В структурном отношении система должна включать три основные звена: прогнозно-аналитический центр, производственные геофизические отряды и консалтинговые организации. В настоящий период данная идея находится на стадии реализации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Писеев Н.А., Молев М.Д. Опыт планирования горных работ на основе шахтной геофизики. - Уголь, 1995, N1, с. 60 - 61.
2. Хмелевской В.К. Основы подземных электрических зондирований // Геофизические исследования: сб. 1 -М.: МГУ, 1964, с. 96 - 112.
3. Пылаев А.М. Руководство по интерпретации вертикальных электрических зондирований. М., Недра, 1968.
4. Якубовский Ю.В. Электроразведка. М., Недра, 1980.
© М.Д. Молев
М.Д. Молев, к.т.н.,. Р.А. Бородин, инж,
Ростовуголь Ростовуголь
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КРОВЛИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
Одним из основных процессов подземной разработки угольных пластов является управление горным давлением. Обоснованное решение практических задач управления горным давлением, в частности, выбор средств крепления горных выработок, позволяет обеспечить их рабочее эксплуатационное состояние в течение всего срока службы.
Определение типа крепи и расчет ее параметров в значительной степени зависит от достоверности исходных данных о механических и структурных свойствах углевмещающего массива. Среди них
важное место занимают нагрузочные характеристики основной кровли и устойчивость непосредственной кровли горной выработки. Известно, что указанные характеристики определяются условиями залегания пород: степенью расслоения, расстоянием между соседними поверхностями ослабленных механических контактов (ОМК) и коэффициентом сцепления между отдельными слоями.
В условиях неравномерного случайного пространственного распределения поверхностей ОМК в углевмещающем массиве все более актуальной становится инструмен-
тальная оценка состояния кровли над горной выработкой, а во многих случаях ее дискретный мониторинг на стадии эксплуатации. Совершенно очевидно, что разведочное бурение шпуров и скважин непригодно для указанных целей в связи со значительными временными и материальными затратами. Поэтому все более широкое распространение получают методы дистанционного геофизического контроля.
Теоретические и экспериментальные исследования позволили с достаточной степенью приближения представить углевмещающий массив в виде слоистой толщи, разде-
ленной поверхностями ОМК. Подобная аппроксимация реальной среды дает возможность удовлетво-
рительно описать процессы при возбуждении в массиве физических полей (акустических, электрических и т. п.).
Для случая оценки расслоения пород кровли, которое весьма часто происходит не по границам раздела между литологическими разностями (например, сланцами, песчаниками), а по поверхностям механических ослаблений, упрощенное представление массива условимся называть физико-геомеханической моделью с вертикальным градиентом характеристики (ФГММ-ВГХ). Смысл названия определяется следующим.
При ударном воздействии на плоскопараллельную среду (углевмещающий массив) возникают звуковые колебания. Реакция слоя между двумя соседними поверхностями ОМК на возбуждение представляет собой кратковременный периодический процесс, спектральная характеристика которого зависит от мощности слоя и степени механической связи между слоями. Частота собственных колебаний определяется формулой
где V - средняя скорость распределения колебания перпендикулярно напластованию, т. е. практически вертикально, м/с; її - толщина слоя, м.
Регистрируя отклик массива, а затем выполнив спектральный анализ сигнала по частотам максимумов спектральной плотности, можно определить мощности составляющих слоев. Амплитуда соответствующих спектральных составляющих позволяет приближенно охарактеризовать степень связности слоев. Таким образом, под вертикальным градиентом подразумевается изменение амплитудно-частотной характеристики массива в вертикальном направлении.
Основываясь на изложенных представлениях, авторы провели многочисленные эксперименты по выявлению поверхностей ОМК в породах кровли подготовительных выработок на шахтах акционерного общества "Ростовуголь".
Методика исследований заключается в ударном возбуждении пород кровли и регистрации отклика массива посредством пьезоэлектрического датчика и кассетного магнитофона на расстоянии одного метра ("ближняя зона") и пяти метров ("дальняя зона") от пункта возбуждения. Шаг съемки по горной выработке выбирается в пределах 10 - 50 м в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий. Полученные магнитограммы обрабатываются в лабораторных условиях на аналоговом спектроанализаторе или персональном компьютере для получения спектрограмм A(f) и определения по ним строения кровли. При обработке на компьютере используется специальная программа, основу которой составляет алгоритм быстрого преобразования Фурье. Наличие двух зависимостей A(f) позволяет определить мощность непосредственной кровли угольного пласта. В процессе интерпретации всегда используется геологический разрез по скважине
или вертикальной горной выработке с целью более точной характеристики массива. Но, как показывает контрольное бурение шпуров, в целом ряде случаев на спектрограммах отражаются реальные дополнительные поверхности ОМК внутри одного литотипа. Типичная спектрограмма и результаты геомеханиче-ской интерпретации приведены на рисунке.
Сопоставительный анализ показал высокую сходимость данных геоакустических измерений и бурения. Достоверность геофизических исследований подтверждается также практикой эксплуатации крепи горных выработок, выбранной с использованием результатов спектральной оценки расслоения. Из материалов анализа можно сделать выводы: а) о правильном выборе модели углевмещающего массива; б) об адекватном описании физического процесса; в) о возможности широкого внедрения геоакустиче-ского спектрального контроля в практику решения задач по управлению горным давлением.
В настоящее время геоакустиче-ский контроль состояния кровли горных выработок применяется в составе рационального комплекса геофизических методов для прогнозирования условий разработки угля подземным способом на шахтных полях ОАО "Ростовуголь". Суммарная исследованная протяженность выработок достигает 12000 погонных метров в год.
Накопленный опыт позволил совершенствовать технологию шахтных измерений и разработать систему геолого-технологического истолкования полученных данных.
Технико-экономические показатели геоаустического метода оцениваются следующими величинами: надежность прогнозирования расслоения массива (оценка количества слоев) - 80 -90 %, ошибка определения мощности слоя - 10 %, производительность шахтной съемки - 10 - 12 точек в час.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ямщиков В.С. Волновые процессы в массиве горных пород. - М., Недра, 1984.
б
2. Бат М. Спектральный анализ в | геофизике.- М., Недра, 198б.
© М.Д. Молев, Р.А. Бородин
15б
