CC BY
23
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
I МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
^ М.Д. Молев, 2000
УДК 53.087:55:622.831 .
М.Д. Молев
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РЕГИСТРИРУЕМЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
О
бщеизвестно, что наиболее эффективным способом отображения сложных объектов и процессов, в том числе и техногенных, при геофизических исследованиях горного массива является их моделирование. Результаты моделирования обязательно учитываются в процессе проектирования и выполнения подземных измерений, а также интерпретации полученных данных. Можно утверждать, что интерпретация результатов геоконтроля модельна, то есть в основе интерпретационных процедур лежат аппроксимации реальных объектов и явлений, которые используются при решении так называемых обратных задач геофизики.
Автору доклада, как и многим другим специалистам, работающим в области подземной геофизики, неоднократно приходится сталкиваться с серьезным негативным обстоятельством, суть которого состоит в недостаточном развитии теоретико-интерпретацион-ных основ шахтных геофизических методов. По указанной причине геофизические прогнозы сложно-построенных нарушенных зон углевмещающего массива часто имеют недостаточно высокую степень надежности.
В сложившихся условиях приемлемым и эффективным направлением, на наш взгляд, является разработка методики интерпретации с использованием результатов экспериментальных измерений. Процесс создания комплекса интерпретационных процедур заключается в том, что сначала
определяются аномальные эффекты геофизических полей от известных (эталонных) геологических нарушений антрацитовых пластов. Таким образом решается прямая задача геофизики: нахождение параметров физического поля (волнового, электрического) по известным характеристикам углевмещающего массива. Затем на основе решения прямой задачи с учетом модельных данных по экспериментальным зависимостям распределения какого-либо параметра (скорости, потенциала) оценивается наличие в среде определенного типа нарушения, то есть решается обратная задача.
Экспериментально-аналитические исследования по оценке аномальных эффектов физических полей от известных геологических нарушений угольных пластов проводились на многих месторождениях Юго-Восточ-ного Донбасса в течение целого ряда лет. В процессе данной работы было исследовано 760 нарушенных участков выемочных столбов, которые содержали типичные нарушения: разрывные, пликативные, генетические. Проведенные исследования позволили получить представительный фактический материал для полноценного анализа и разработки физикогеологических моделей (ФГМ).
Корректность эталонирования на-рушенности, то есть определение типа и геометрических параметров геологических нарушений, достигалась регулярным геологическим документированием в процессе отработки нарушенных участков.
При оценке характеристик регистрируемых физических полей были
проанализированы около двух тысяч графиков низкочастотного электропросвечивания и сейсмограмм метода сейсмоакустического просвечивания. В результате анализа установлены характерные признаки искажения полей различными геологическими нарушениями. Оценка аномальных эффектов производилась по следующим параметрам: амплитуде, форме, типу. Были выявлены четкие корреляционные зависимости: а) между геометрическими характеристиками нарушений и параметрами аномалий; б) количественных и качественных характеристик аномалий от морфологического типа геологических нарушений. Так, например, было установлено, что амплитуда аномалии электрического поля является многофакторной функцией геометрических параметров геологических нарушений (амплитуды смещения крыльев, протяженности, ориентации в плоскости угольного пласта). Форма и знак геоэлектриче-ского аномального эффекта определяется однозначно ориентацией нарушенной зоны относительно профиля наблюдений (горной выработки). Была выявлена довольно устойчивая зависимость амплитуды аномалии электрического поля от типа нарушения, что позволило произвести дифференцирование нарушений по величине аномальности и сформулировать один из статистических интерпретационных критериев.
Аналогично было установлено, что по аномальным величинам динамических и кинематических параметров волнового поля можно определить геометрические характеристики и тип нарушения. Весьма существенным для практических целей подземного геофизического прогнозирования явилось установление такого факта, что тектоническое разрывное нарушение не искажает сейсмоакустический сигнал при амплитуде смещения крыльев менее половины мощности угольного пласта и величине угла падения плоскости сместителя меньше тридцати градусов.
Таким образом, на основании экспериментальных данных и решении прямых задач геофизики для электрического и сейсмоакустического полей автором были разработаны так называемые элементарные (или пометод-ные) физико-геологи-ческие модели геологических нарушений, то есть по результатам анализа какого-либо одного физического поля. Параметрический ряд состоит из восьми моделей, аппроксимирующих следующие типы нарушенных зон: сбросы (взбросы), надвиги, флексуры, утонения и размывы, повышенную трещиноватость пород кровли, зоны повышенного горного давления.
Как показывают результаты анализа прогнозных материалов, выполненных на основе элементарных интерпретационных моделей, надежность прогнозов составляет 65 - 78 % (при оценке сбросов - до 90 %). Указанный уровень надежности не в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым шахтными технологическими службами к информационному геологическому обеспечению
планирования горных работ.
Таким образом, еще раз подтверждается принципиальная ограниченность технических возможностей отдельных геофизических методов при решении проблемы прогнозирования строения и состояния углевмещающего массива. Несомненно, качественный надежный прогноз геологической нарушенности можно разрабатывать при обязательном использовании комплекса взаимодополняющих подземных геофизических методов.
В указанном контексте автор занимался построением так называемых комплексных или интегральных моделей геологических нарушений. Исходной отправной точкой комплексного моделирования является предположение, что степень надежности определения типа и параметров геологического объекта существенно повышается при исследовании его методами, имеющими в своей основе различные физические поля. При таком подходе более четко проявляются как сходства, так и различия в искажении нарушением полей разной физической
природы.
Совместный анализ и обобщение материалов геоэлектрических и гео-акустических исследований позволили разработать комплексные модели, количество которых совпадает с перечнем пометодных моделей. С учетом того, что физико-математическое моделирование полей и интерпретационные работы осуществляются с использованием конечно-эле-ментного подхода, в рамках которого геологическая среда представляется в форме замещения ее однородными многогранниками или фигурами, нарушения также аппроксимировались подобными формами. Графическое изображение модели сопровождается математическим описанием параметров физических полей, нормированных относительно соответствующих характеристик нарушенного углевмещающего массива. Примеры некоторых комплексных моделей геологических нарушений приведены на рисунке.
В качестве пояснения к представленным моделям можно привести данные аппроксимации нарушения сбросового характера. Как следует из экспериментальных данных, на сейсмограммах метода просвечивания по лучам, прошедшим через дизъюнк-тив, амплитуда огибающей второго пакета имеет величину, меньшую по сравнению с соответствующим параметром сигнала на ненарушенном угольном пласте. Подобная картина наблюдается и при наличии на участке приближения к пласту песчаника, а также зоны повышенной трещиноватости пород. В то же время, геоэлек-трические аномалии в первом случае имеют значительно большую амплитуду и другую форму, чем во втором и третьем случае. Таким образом, обобщение аномальных признаков позволяет более надежно установить тип нарушения.
Практика подземной геофизики привела автора к необходимости разработки моделей сложно-построенных нарушенных зон: сближенных разрывных нарушений, ком-
Рис. Физико-геологические модели различных нарушений и параметры их оценки: А - амплитуда; V- скорость; £- частота сейсмического сигнала; DU— разность потенциалов электрического поля; п, у — соответственно «породная» и «угольная» выработка; СиЭП, ВЭП — соответственно синхронная и веерная схема электропросвечивания.
бинированных форм (флексура-сброс, размыв-раздув) и т. п. На современном уровне развития теории и практики геофизических исследований подобные нарушения невозможно разделить на составляющие элементарные участки. Представляется целесообразным моделировать указанные нарушенные зоны в виде простых геометрических форм: прямоугольников, трапеции, эллипсов, сегментов.
1. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирование. - М.; Высшая школа, 1984.
2. Рубан А.Д. Шахтная сейсморазведка малоамплитудной нарушенности угольных пластов на основе эффективных сейсмических моделей// В сб.: Комплексные иссле-
Нарушенные участки объединяются в подобные крупные блоки с одинаковыми физическими свойствами, например: высоким кажущимся удельным электрическим сопротивлением.
Результаты сопоставительного анализа прогнозных данных и материалов горных работ показали корректность предлагаемой системы моделей для решения практических задач шахтной геофизической раз-
дования физических свойств горных пород и процессов. IX Всесоюзная научная конференция ВУЗов СССР с участием НИИ. -М.: МГИ, 1987.
3. Иванова С.В., Модин И.Н., Перваго Е.В. Выявление структуры нарушения угольного пласта с помощью электрическо-
ведки нарушенности угольных пластов. Описанная аппроксимация геологических нарушений совместно с системным подходом обеспечивает оптимизацию работ на всех этапах исследований и позволяет получить полномасштабный прогноз строения углевмещающего
массива с необходимой степенью надежности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
го просвечивания на постоянном токе. Эффективная и безопасная добыча угля на базе современных достижений геомеханики// В сб. науч. тр. - С-Пб.: ВНИМИ. - 1999. - С. 111 - 115.
