Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса. цели и задачи исследований 11
1.1. Геологические и горнотехнические условия разработки Верхнекамского месторождения калийных солей 11
1.2. Газодинамические явления в калийных рудниках 14
1.3. Анализ существующих методов прогноза и способов предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках 28
1.4. Цель и задачи исследований 38
2. Разработка механизма образования очагов внезапных отжимов призабойной части пород в условиях верхнекамского месторождения калийных солей 40
2.1. Анализ гипотез механизма образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве 40
2.2. Анализ геологических условий развития внезапных отжимов призабойной части пород в калийных рудниках на Верхнекамском месторождении калийных солей 43
2.3. Механизм образования очагов внезапных отжимов призабойной части пород в соляном породном массиве 62
2.4.Выводы 70
3. Математическая модель метода прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород 73
3.1. Постановка задачи 73
3.2. Разработка математической модели метода прогнозирования внезапных отжимов призабойной части пород 75
3.3. Процедура формирования общей выборки данных при разработке математической модели 79
3.4. Процедура формирования обучающих выборок при разработке математической модели 81
3.5. Выбор математической модели и процедура получения решающего правила для прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам 88
3.6. Выводы 97
4. Реализация методики прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, в информационно-справочной системе «газоносность и газодинамические явления» 99
4.1. Общие положения 99
4.2. Просмотр данных по ГДЯ 100
4.3. Прогнозирование зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части соляных пород, в ИСС «Газ и ГДЯ» 104
4.4. Выводы 108
5. Разработка способов предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород при отработке калийных пластов 110
5.1. Общие положения 110
5.2. Активные способы предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород и технологические схемы дегазации породного массива впереди забоя выработки 110
5.3. Пассивный способ управления газодинамическими процессами в зонах, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород 117
5.4. Мероприятия по обеспечению безопасности шахтеров при возникновении внезапных отжимов призабойной части пород 121
5.4.1. Общие положения 121
5.4.2. Определение расстояния отброса разрушенной породы при внезапных отжимах призабойной части пород 122
5.4.3. Рекомендации по безопасному ведению горных работ по пласту АБ в зонах, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, на шахтном поле рудника СКРУ-3 126
5.5. Выводы 130
Заключение 132
Список литературы
- Газодинамические явления в калийных рудниках
- Анализ геологических условий развития внезапных отжимов призабойной части пород в калийных рудниках на Верхнекамском месторождении калийных солей
- Процедура формирования общей выборки данных при разработке математической модели
- Прогнозирование зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части соляных пород, в ИСС «Газ и ГДЯ»
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Разработка месторождений калийных солей подземным способом существенно осложняется газодинамическими явлениями в виде внезапных выбросов соли и газа, обрушений пород кровли (разрушений пород почвы), сопровождающихся газовыделением, явлений комбинированного типа и внезапных отжимов призабойной части пород. Газодинамические явления при разработке сильвинитовых пластов представляют собой быстропротекающие процессы разрушения приконтурной части массива и выноса раздробленной породы потоком расширяющегося газа в горную выработку. В силу таких факторов газодинамических явлений как внезапность, высокая скорость разлета кусков породы, значительные объемы разрушаемых горных пород, выделение горючих газов, ударная воздушная волна – все виды газодинамических явлений представляют серьезную угрозу жизни шахтеров, разрушают дорогостоящее проходческое и добычное оборудование, нарушают ритмичность работы калийных рудников. С начала разработки Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей на сильвинитовых пластах произошло более 320 газодинамических явлений, которые приводили, в отдельных случаях, к травмированию, гибели шахтеров и значительному материальному ущербу калийным предприятиям. Существенный вклад в решение проблемы газодинамических явлений в калийных рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей внесли Алыменко Н.И., Андрейко С.С., Бей М.М., Винокур Б.Ш., Долгов П.В., Земсков А.Н., Жихарев С.Я., Иванов О.В., Кириченко А.С., Ковалев О.В., Красноштейн А.Е., Красюк Н.Ф., Лаптев Б.В., Медведев И.И., Мещеряков В.В., Пермяков Р.С., Полянина Г.Д., Проскуряков Н.М., Шаманский Г.П. и другие ученые. Вместе с тем, следует отметить, что недостаточно изученной остается проблема такого вида газодинамических явлений, как внезапные отжимы призабойной части пород.
Внезапные отжимы призабойной части пород, имеют интенсивность от нескольких сотен килограмм до нескольких тонн, однако совершаемая ими работа не только угрожает жизни шахтеров, но и вызывает разрушения элементов конструкции комбайнов, применяемых при разработке калийных пластов. В настоящее время для условий калийных рудников на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей отсутствуют методы прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, а предотвращение воздействия внезапных отжимов призабойной части пород на горнорабочих сводится только к оборудованию проходческо-очистных комбайнов щитами ограждения, которые не всегда выполняют защитные функции. В связи с этим для повышения безопасности ведения горных работ требуются изучение условий образования очагов внезапных отжимов в соляном породном массиве, разработка методов прогнозирования и эффективных способов их предотвращения. Таким образом, проблема внезапных отжимов призабойной части пород при отработке калийных пластов изучена недостаточно глубоко и ее решение приобретает особую актуальность, имеет большое теоретическое и практическое значение.
Связь работы с крупными научными программами и темами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН и программами Президиума РАН: Программа Отделения наук о Земле РАН № 3 «Освоение недр Земли: новые методы разработки, обогащения
многокомпонентных руд и углей в условиях кризиса», Тема: «Трансформация геологической среды в процессе освоения георесурсов», Тема: «Комплексный мониторинг экстремальных горнотехнических ситуаций», ГР № 01201268439; Программа фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы №74. Комплексное освоение и сохранение недр Земли, инновационные процессы разработки месторождений полезных ископаемых и глубокой переработки минерального сырья. Тема: «Разработка теоретических основ прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями режимов проветривания и газодинамическими явлениями в рудниках при освоении месторождений минерального сырья», ГР № 0425–2014–0006; Тема: «Исследование механизмов разрушения горных пород и газонасыщенных массивов», ГР № 0425–2014– 0009; Тема: «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья», ГР № 01201350099, а также тематикой хоздоговорных работ с ОАО «Сильвинит» и ПАО «Уралкалий».
Цель работы – разработка метода прогнозирования и эффективных способов предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород, обеспечивающих безопасную отработку калийных пластов.
Основная идея диссертационной работы заключается в использовании механизма образования очагов внезапных отжимов призабойной части пород в соляном породном массиве для разработки метода прогнозирования и способов предотвращения.
Основные задачи работы:
– выполнить анализ геологических и горнотехнических условий проявления внезапных отжимов;
– разработать механизм образования очагов внезапных отжимов призабойной части пород в соляном породном массиве;
– разработать математическую модель метода прогноза зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород;
– разработать методику прогноза зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород;
– разработать способы предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Очаги внезапных отжимов призабойной части пород в соляном породном массиве образовались в изолированных трещинах, сформировавшихся по механизму отрыва или скола с последующим заполнением одиночных или групп трещин свободным газом, фильтрация которого происходила из вмещающего массива.
-
Математическая модель прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, основанная на процедурах разведочного анализа данных и робастного дискриминантного анализа, позволяющая по комплексу показателей при помощи установленного решающего правила проводить многофакторное прогнозирование опасных зон в соляном породном массиве.
-
Предотвращение внезапных отжимов призабойной части пород при проходке подготовительных и очистных горных выработок достигается профилактическим бурением дегазационных скважин в забой выработки или созданием дегазационно-разгрузочного паза по почве разрабатываемого пласта, ориентированного в направлении подвигания забоя.
Научная новизна:
– разработан механизм образования очагов внезапных отжимов призабойной части пород в соляном породном массиве, представленный как процесс заполнения одиночных или групп трещин свободным газом, фильтрация которого происходила из вмещающего массива;
– разработана математическая модель прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, представленная решающим правилом на основе дискриминантных функций и позволяющая проводить многофакторное прогнозирование зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород;
– разработаны способы предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород с помощью профилактического бурения дегазационных скважин в забой выработки или создания дегазационно-разгрузочного паза по почве разрабатываемого пласта, ориентированного в направлении подвигания забоя.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
– корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемого математического аппарата;
– большой представительностью данных в обучающих выборках (более 800 наблюдений геологических параметров, характеризующих соответственно опасные и неопасные по внезапным отжимам призабойной части пород зоны);
– высокой вероятностью правильной дискриминации участков разработанным методом прогнозирования на опасные и неопасные по внезапным отжимам призабойной части пород зоны, которая составляет соответственно 0,95;
– сопоставимостью результатов теоретического решения и шахтных экспериментальных работ;
– включением результатов исследований в нормативные документы, регламентирующие безопасное ведение горных работ в калийных рудниках;
Практическое значение результатов исследований заключается в следующем:
– разработана и внедрена методика прогнозирования и построена прогнозная карты зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород, для условий шахтного поля рудника СКРУ-3 ПАО «Уралкалий»;
– разработаны способы предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород с помощью профилактического бурения дегазационных скважин или создания дегазационно-разгрузочных пазов;
– разработаны организационно-технические мероприятия для предотвращения воздействия поражающих факторов внезапных отжимов призабойной части пород на персонал калийных рудников.
Реализация результатов работы. Результаты исследований по разработке метода прогнозирования и способов предотвращения внезапных отжимов призабойной части горных пород использованы в следующих методических и нормативных документах:
1. Рекомендации по безопасному ведению горных работ для условий шахтного поля рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий». – Пермь, 2012;
2. Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима в ПАО «Уралкалий». – Пермь–Березники, 2015.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы используются в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при чтении курсов по дисциплинам «Физические процессы при добыче полезных ископаемых» специальности 131201.65 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» и «Процессы подземной разработки рудных месторождений» специальности 130400.65 «Горное дело» специализации «Подземная разработка рудных месторождений».
Личный вклад автора заключается:
– в анализе геологических и горнотехнических условий проявления внезапных отжимов призабойной части пород;
– в теоретическом обобщении и обосновании защищаемых научных положений;
– в разработке математической модели метода прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород;
– в построении прогнозной карты зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород;
– в разработке способов предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород с помощью профилактического бурения дегазационных скважин и создания дегазационно-разгрузочных пазов;
– в разработке организационно-технических мероприятий для предотвращения воздействия поражающих факторов внезапных отжимов призабойной части пород на персонал калийных рудников.
– в выполнении анализа полученных результатов и обобщении результатов исследований.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на «Ежегодных научных сессиях ГИ УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов». – Пермь: ГИ УрО РАН (2007-2015 гг.)», на «Региональных научно–практических конференциях «Геология и полезные ископаемые Западного Урала». – Пермь: ПГУ (2007–2013 гг.)», на «Международной научно–технической конференции «Проблемы рационального недропользования». 23–26 ноября 2009 года, Пермь, ПГТУ», на «Всероссийских научно–технических конференциях «Нефтегазовое и горное дело»: г. Пермь, ПГТУ, (2010, 2011 гг.)», на «V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых»: г. Пермь, 14-16 ноября 2012 г. ПНИПУ», на «Всероссийской конференции «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях»: г. Пермь: 5–7 июня 2013 г. ГИ УрО РАН», на «III Всероссийском молодежном форуме: «Нефтегазовое и горное дело», г. Пермь, 28-31 октября 2014 г. – Пермь: ПНИПУ», на «II Международной научно-практической конференции «Горная и нефтяная электромеханика – 2015» (Пермь, 12–15 октября 2015 года). – Пермь: ПНИПУ».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В изданных в соавторстве научных публикациях соискатель принимал непосредственное участие в сборе данных, экспериментальных работах, анализе полученных результатов, составлении карт, схем, написании текста и его редактировании.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунок, 24 таблицы, список использованной литературы состоит из 160 наименований.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н. О.В. Иванову за внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь в процессе работы над диссертацией, а так же искреннюю благодарность главному геологу СКРУ-3 ПАО «Уралкалий» В.А. Шабакину за помощь при проведении шахтных экспериментальных исследований и сборе геологических данных.
Краткая характеристика содержания диссертационной работы.
Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы газодинамических явлений в калийных рудниках, а также методов их прогнозирования и способов предотвращения.
Во второй главе выполнен анализ гипотез механизма образования очагов газодинамических явлений, геологических условий развития внезапных отжимов призабойной части пород, а так же разработан механизм образования очагов газодинамических явлений данного типа.
В третьей главе разработана математическая модель прогнозирования зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части соляных пород.
В четвертой главе на базе информационно-справочной системы «Газоносность и газодинамические явления» построена карта зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части пород шахтного поля СКРУ-3.
В пятой главе разработаны эффективные способы предотвращения внезапных отжимов призабойной части пород при разработке калийных пластов.
В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и сформулированы основные выводы по диссертационной работе.
Газодинамические явления в калийных рудниках
На месторождение Дакс калийных солей, так же как и на Эльзасском месторождении Франции, с начала разработки регистрируются внезапные выбросы соли и газа, суфлярные газовыделения, обрушения пород кровли с газовыделениями. Месторождение разрабатывалось камерной системой разработки. Вынимаемый пласт имел довольно сложные геологические условия залегания [19]. В местах зарегистрированных газодинамических явлений отмечались различные нарушения пласта: раздувы, выклинивания, складки, зоны брекчирования и замещения пластов каменной солью. Практически во всех местах, где отмечались газодинамические явления, наблюдались вторичные изменения солей. На стенках выработок фиксировались геологические трещины и рассолопроявления.
Газодинамических явлений в калийных районах на территории Польши происходят с начала их разработки. Для рудников «Величка» и «Бохня» характерны суфлярные выделения метана и водорода. Присутствие горючих газов обусловлено наличием пористых песчаников и битуминизированных солей. Однако в 1949 году на руднике «Бохня» произошел выброс, в результате которого из песчаника было выброшено несколько сотен тонн породы, а взорвавшийся газ привел к гибели горнорабочих. Пламя от взорвавшихся газов было выброшено через ствол на поверхность. [20]. В настоящее время на территории Польши с газодинамическими явления борются на рудниках «Кладова» и «Инвроцлав». Общее количество зафиксированных газодинамических явлений чуть более 200.
Ежегодно регистрируется несколько сотен газодинамические явления на калийном руднике «Баулби», расположенном в Англии. Для рудника характерны газодинамические явления из кровли и забоя горных выработок, которые происходят из глинисто-соляного пласта, залегающего в кровле продуктивного сильвинитового пласта [21]. На месторождениях калийных солей США, в основном, применяются камерно-столбовые системы разработки. Основными газодинамическими явлениями при такой системе разработки являются суфлярные выделения газов, обрушения кровли горных выработок с газовыделениями, пучения почвы и выбросы соли и газа. Газодинамические явления происходят при ведении горных работ во всех пяти соляных куполах штата Луизиана [23]. Полости выбросов трубообразные, глубиной до 65 метров и диаметром до 10 метров. По мнению ученых, выбросы представляют собой мегаскопические явления, приуроченные к крупномасштабным тектоническим нарушениям в соляных куполах.
В штате Юта осуществлялась разработка трех продуктивных пластов калийной соли. На глубине в 1000 метров в условиях интенсивной складчатости применялась камерно-столбовая система разработки. [24]. Имели место практически все типы газодинамические явлений, интенсивность некоторых из них достигала 3000 тонн и более. Для очагов газодинамических явлений характерны участки замещения пластов каменной солью, дробление пород, наличие вторичных минералов. С 1969 года предприятие перешло на разработку месторождения подземным выщелачиванием.
Карлбадское месторождение калийных солей в штате Нью-Мексико разрабатывается на семи рудниках. Рудная зона мощностью от 1,5 до 4 метров разрабатывается камерно-столбовой системой разработки [25]. Сведений о газодинамических явлениях по этому месторождению в литературе практически нет.
Саскачеванское месторождение калийных солей, расположенное в Канаде, разрабатывают десять калийных рудников. Система разработки камерная. Глубина залегания продуктивных пластов 945 м - 1050 м [26]. Данные о газодинамических явлениях на месторождении довольно обрывочны. Породы кровли опасны суфлярными выделениями и обрушениями с высотой полости, достигающей нескольких десятков метров. Очаги газодинамических явлений приурочены к кавернам и зонам трещиноватости. В условиях Старобинского месторождении калийных солей в Республике Беларусь при ведении горных работ на III калийном горизонте регистрируются внезапные отжимы призабойной части соляных пород, интенсивность которых не превышает нескольких тонн, но которым сопутствуют ударная волна, звуковые эффекты, разрушение и вынос породы в пространство горной выработки (рисунок 1.3). Работа, совершаемая внезапным отжимом, угрожает жизни шахтеров и способна разрушить отдельные элементы конструкций комбайновых комплексов. В условиях III калийного горизонта регистрировались случаи травмирования горнорабочих кусками разрушенной породы, отброса комбайнов от забоя на расстояние до 3,0 м и разрушения щитов ограждения [27]. Изучение внезапных отжимов соляных пород показало, что они приурочены к тектоническим трещинам [10]. Максимальное раскрытие трещин в местах газодинамических явлений достигало 0,05 м. Трещины, в большинстве случаев, залечены, однако имели место и открытые геологические трещины с раскрытием до 0,015 м, и глубиной до 2,0 м. В местах внезапных отжимов трещины заполнены вторичными минералами. В некоторых случаях трещинам сопутствовали участки небольшой протяженности, на которых сильвинитовые слои замещались каменной солью.
Разработка Верхнекамского месторождения калийных солей осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые стали происходить при отработке пласта В карналлитового состава. На сильвинитовых пластах АБ и КрII газодинамические явления происходят в виде: явлений комбинированного типа; обрушений пород кровли (разрушений пород почвы), сопровождающихся газовыделениями; внезапных выбросов соли и газа, а также отжимов призабойной части пород (рисунок 1.4). Газодинамические явления в калийных рудниках приводят к травмированию и гибели горнорабочих, разрушают дорогостоящее горношахтное оборудование, приводят к большим затратам на ликвидацию последствий.
Анализ геологических условий развития внезапных отжимов призабойной части пород в калийных рудниках на Верхнекамском месторождении калийных солей
Свое развитие методы прогноза зон, опасных по газодинамическим явлениям нашли в исследованиях к.т.н. О.В. Иванова. В основе данного метода лежит сравнение и выявления горно-геологических условий в пределах границ шахтного поля с условиями в местах зарегистрированных газодинамических явлений. Результаты разработки представляют собой решающие правила прогнозирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, в виде линейных дискриминантных функций, выведенных для пластов КрII и АБ. Автором построены прогнозные карты зон, опасных по газодинамическим явлениям, для сильвинитовых пластов шахтных полей калийных рудников БКПРУ-1, БКПРУ-2 и БКПРУ-4 ПАО «Уралкалий» [60].
Региональный прогноз выбросоопасности для Старобинского месторождения выполнен для пород III калийного горизонта. Отнесение точек наблюдения к отдельным категориям (опасно и неопасно) выполнено по мощности соленосных отложений, покрывающих III горизонт. Это вызывает определенные сомнения, поскольку тектонические нарушения регионального характера способствуют дегазации прилегающих участков массива соляных пород. На следующем этапе разработки использовались многомерные критерии прогноза, но конечного результата в виде методики прогнозирования выбросоопасных зон работа не достигла [50]. Региональный прогноз выбросоопасных зон для Индерского месторождения основывается на приуроченности газодинамических явлений к границам тектонических блоков [51]. Предположительно выбросоопасными зонами могут являться области сдвигов или взбросов. Дальнейшая разработка метода регионального прогноза представляется в подробном изучения тектонических блоков и выделения их границ [10, 11, 51, 61]. Локальный прогноз подразумевает под собой оценку вероятности развития ГДЯ на горизонтах и пластах отдельных участков шахтных полей. По результатам локального прогноза опасные по ГДЯ пласты разграничиваются на опасные и неопасные зоны. Локальный прогноз уточняет данные регионального прогноза и основывается на комплексном изучении свойств, геологических условий разработки и установленных закономерностях.
Большой опыт применения методов локального прогноза зон, опасных по ГДЯ, накоплен в Германии. О выбросоопасности соляных пород судят по количеству дисков кернов, приходящихся на 1 метр длины при бурении подземных геологоразведочных скважин [55, 56]. Метод, не смотря на высокую надежность, является трудоемким и затратным. Использование данного метода прогноза в условиях Верхнекамского месторождения весьма затруднительно, в силу наличия в продуктивной толще большого количества глинистых прослоев и неоднородности горных пород.
Многие методы локального прогноза по геологическим признакам используются на калийных предприятиях [44, 52, 53]. Немецкие ученые разработали локальный метод прогноза выбросоопасных зон, в основе которого лежит выделение зон вторичного метаморфизма, используя характерные черты строения зон перекристаллизации. Метод прогноза хорошо себя зарекомендовал, однако требует квалифицированных кадров с опытом работы на выбросоопасных пластах.
Для карналлитовых пластов Б и В Верхнекамского месторождения на основе геологических признаков предложен метод локального прогноза выбросоопасности пород [62, 63]. Основными геологическими признаками являются: наличие зон разрывов межпластовой соли, антиклинальные складки карналлитовых пластов, увеличение мощности пластов более чем в полтора раза. Для реализации метода требуются опытные специалисты. Стоит отметить, что метод довольно субъективен, поскольку отсутствуют численные критерии. Для пласта В карналлитового состава известен метод прогноза в основе которого различия в распределениях геологических показателей в районе опасных и неопасных участков [64, 65]. Исследователи утверждают, что основные различия отмечаются по мощности пласта, содержанию в породах MgCl2, KCl и Br. Прогнозирование выполняется посредством расчёта вероятности выбросоопасности калийных пластов с последующим построением карт.
В условиях рудников Верхнекамского месторождения в качестве геологических показателей для разработки локального прогноза выбросоопасных зон предлагается использовать увеличение (уменьшение) мощности междупластия А-КрI, увеличение мощности пласта КрI, присутствие пережимов пласта. [66-68]. Изучение данного метода требует развития в области уточнения критериев прогноза по геологическим показателям.
В силу трудоемкости, необходимости в специальной аппаратуре и низкой технологичности, инструментальные методы локального прогноза выбросоопасных зон Верхнекамского месторождения применения в промышленности не нашли [12, 69, 70].
В методе локального прогнозирования в условиях Старобинского месторождения калийных солей используются геологические показатели [62, 71, 72]. Обнаружение выбросоопасных зон в готовых к отработке выемочных столбах осуществляется методом сейсмопросвечивания [73-75]. Данный метод надежен и является нормативным, однако не определяет четкие контуры выбросоопасной зоны. Кроме того, метод сейсмопросвечивания довольно трудоёмок.
Процедура формирования общей выборки данных при разработке математической модели
Здесь автором выделены сбросовые нарушения с характерной криволинейной поверхностью сместителя, известные как шарнирные. Вдоль этой зоны проявляются как левые, и более редкие, правые перемещения, что, вероятно, обусловлено локализацией зоны между участками, на которых пласт Б имеет карналлитовый или смешанный состав. Автор предполагает, что на образование трещин могли оказывать влияние и объемные эффекты, связанные с сильвинитизацией карналлита. Однако, преобладающее северовосточное падение трещин и приуроченность к низам пласта Б, позволяют связать формирование трещин в этой зоне с относительным надвиганием карналлитовой зоны разреза на сильвинитовый в северо-восточном направлении. Причину таких движений автор связывает как с опусканием ядра Тверитинской мульды, так и подъемом Харюшинского купола. Таким образом, трещины в пласте Б обусловлены масштабным перегибом соляной залежи. Самыми типичными нарушениями этой зоны являются шарнирные дислокации. Сопряженность трещин с участками замещения и перекристаллизации объясняется наследованием разрывами ослабленных зон, образовавшихся ранее при сильвинитизации карналлита.
На восьмой панели в третьей зоне трещиноватости автор отмечает специфику деформаций, которая обусловлена северо-восточным простиранием трещин в западной части и субширотным – в восточной [131, с.75]. В той и другой частях панели трещины маркируют зону, которая разделяет приподымающийся северный блок от опускающегося южного. Для данной зоны И.И. Чайковским предполагается следующая последовательность деформаций: 1. Субмеридиональная складчатость с ортогональной системой сколовых трещин, в пределах которой местами субмеридиональные трещины приоткрываются и в них откладывается шестоватый галит. Складчатость и трещины скола возникают на границе разных по пластичности толщ при оползании вышележащих слоев относительно нижележащих в западном направлении. С этими внутрипластовыми течениями связано формирование согласных полостей отслаивания, в которых происходит кристаллизация шпатового сильвинита. 2. Диагональные (ЮЗ-СВ) напряжения вызывают усложнение складчатости, активизацию былых трещин, а местами и новообразование сколовых трещин и заложение трещин отрыва, которые заполняются карналлитом. 3. Новейшие дифференцированные вертикальные перемещения блоков, вдоль границ которых происходит формирование открытых сколовых (в основном сбросовых) трещин. Вероятно, на фоне сбросовых движений могли реализоваться и соподчиненные им право сдвиговые перемещения. «Отжатие» рассолов из галопелитовых прослоев на предыдущих стадиях обусловила присутствие незначительного количества рассолов в полостях и несущественное проявление процессов растворения и вторичного минералообразования. Для четвертой зоны трещиноватости автором предполагается следующая последовательность формирования пликативных и дизъюнктивных нарушений [131,с. 95]: 1. Формирование складок уральской ориентировки с азимутом простирания 350о; 2. Усложнение складчатости, за счет Z-образных перегибов, проявление которых, вероятно связано с перемещением и опусканием (правым сбросо-сдвигом) блока в подсолевой толще; 3. Активизация разломов в фундаменте и генерация зон трещиноватости. Узкий вертикальный диапазон развития трещин в геологическом разрезе на шахтном поле рудника СКРУ-3 д.г.-м.н. И.И. Чайковский связывает с тем, что их образование обусловлено повышенной хрупкостью «пластины», сложенной пластом пестрого сильвинита Б и пластом каменной соли Б-В, расположенной между двумя более «пластичными» карналлитовой и сильвинитовой толщами. Локальный характер распространения трещин в данной зоне, по мнению автора, говорит о том, что разрывные деформации не имеют сквозного характера. Трещины в этой зоне наследуют и маркируют зоны подвижек в подсолевой толще. Вверх по разрезу они трассируются в виде визуально неразличимых пластических деформаций или, что более опасно, зонами напряженности.
Пятая зона трещиноватости размещается в пределах 1 и 2 блока первой панели и объединяет две трещины северо-восточного простирания. Самая западная трещина протяженностью 90 м вскрыта в первом блоке. Она простирается по азимуту 27 – 35о, относительно ровная слабоизогнутая, прерывистая с правым смещением концов на 5 – 10 см, раскрыта слабо (до 0,8 см), субвертикальная (90 – 80о), сечет пласты АБ и Б-В. Ее амплитуда по вертикали составляет около 4,5 м. По мнению И.И. Чайковского, правые смещения концов отдельных фрагментов трещин говорят об ее образовании в результате право сдвиговых движений [131, с.97].
Трещина во втором блоке вскрыта в камерах №№30 – 40 и была подсечена двумя скважинами. Она имеет длину 145 м, простирается в северовосточном направлении (60о) и падает на северо-запад под углом 80о. Ее прослеженная вертикальная амплитуда составляет около 13 м: Трещина сечет пласты АБ и В-Г, в пластах А и В она сомкнутая, в пластах Б и Б-В ее раскрытие составляет до 0,01 м. При вскрытии трещины выработкой произошло газовыделение, которое продолжалось несколько суток. По трещине, на уровне пласта Б, отмечены как вертикальное (около 0,01 м), так и горизонтальное (до 0,06 м) смещения, что позволило отнести ее к левому взбросо-сдвигу.
Прогнозирование зон, опасных по внезапным отжимам призабойной части соляных пород, в ИСС «Газ и ГДЯ»
Информационная справочная система «Газоносность, газодинамические характеристики, газодинамические явления и прогнозные карты зон, опасных по ГДЯ, в калийных рудниках БКПРУ-2, БКПРУ-4, СКРУ-1, СКРУ-2 и СКРУ-3 ПАО «Уралкалий» (в дальнейшем ИСС «Газ и ГДЯ») разработана в Горном институте Уральского отделения РАН.
Разработка ИСС «Газ и ГДЯ» преследовала следующие цели: отображение текстовых и графических результатов исследований газоносности и газодинамических характеристик соляных пород на шахтных полях рудников, информации по регистрируемым газодинамическим явлениям, построение прогнозных карт зон, опасных по газодинамическим явлениям различных типов.
В основе разработки ИИС «Газ и ГДЯ» лежит язык MapBasic, являющийся приложением геоинформационной среды MapInfo, который может быть встроен в готовые рабочие наборы или загружаться самостоятельной программой [149,150].
ИСС представлена двумя основными частями. Первая часть выполняет функции интерактивного отображения полной информации по выбранному газодинамическому явлению и построения прогнозных карт зон, опасных по ГДЯ. Основой для наполнения первой части служит база данных о зарегистрированных газодинамических явлениях на шахтных полях ПАО «Уралкалий» за все время разработки Верхнекамского месторождения. База данных содержит следующие поля: рудник, порядковый номер ГДЯ, дата и время, пласт, точное расположения места газодинамического явления, вид ГДЯ, геологические условия и обстоятельства проявления ГДЯ, а также вероятные причины проявления. Все зарегистрированные газодинамические явления оцифрованы и программно привязаны к базе данных по ГДЯ.
В ИСС «Газ и ГДЯ» автоматически рассчитываются значения решающих правил в каждой координатно привязанной точке наблюдений, и происходит разделение значений на опасные (больше или равно 0) и неопасные (меньше 0), затем результат экспортируется в MapInfo Professional Interchange Format (MIF), из которого строятся прогнозные карты в ГИС, использующих MapInfo.
Вторая часть ИСС «Газ и ГДЯ» предназначена для отображения информации по выбранной точке проведения замеров по результатам шахтных экспериментальных исследований газоносности и газодинамических характеристик соляных пород на шахтных полях ПАО «Уралкалий», выполненных за период с 2000 года по 2015 год лабораторией геотехнологических процессов и рудничной газодинамики Горного института Уральского отделения Российской академии. База данных содержит следующие поля: рудник, порядковый номер и дата проведения замера, исследуемый пласт, номер панели, блока, наименование горной выработки, количество пробуренных исследовательских шпуров, максимальная начальная скорость газовыделения, максимальное газовое давление в массиве, рассчитанная средняя газоносность пород, рассчитанная средняя газоносность пород по условному метану, компонентный состав свободных газов в объемных процентах: CH4, H2, CO2, N2, C2H6, C3H8, n-C4H10, i-С4H10, C5H12 и прочие.
Для просмотра данных по газодинамическим явлениям в ГИС MapInfo в меню «ГДЯ» необходимо выбрать «Показать ГДЯ» (рисунок 4.1). В этом случае в текущем окне карты добавится новый слой с точечными объектами, отмеченными красными звездочками и соответствующими местам зафиксированных ГДЯ, а также станет доступным инструмент просмотра информации по ГДЯ – кнопка с изображением «глаза» на инструментальной панели «Операции» (рисунок 4.2). Если в данный момент не было открыто ни одного окна карты, то откроется новое окно карты. На карте будут показаны места зафиксированных ГДЯ тех рудников, для которых в папке \GDP находятся соответствующие файлы баз данных в формате EXCEL.
Для просмотра данных по конкретному ГДЯ необходимо воспользоваться инструментом «глаз» и указать мышкой на карте на место зафиксированного ГДЯ. В этом случае на экране появится форма, содержащая информацию по выбранному газодинамическому явлению, а место ГДЯ обозначиться более крупной желтой звездочкой (рисунок 4.3). Если на экране два и более места газодинамических явлений расположены слишком близко, то при использовании инструмента «глаз» программа может предложить изменить масштаб карты на экране и повторить выбор места ГДЯ. Если для данного ГДЯ в базе имеется зарисовка, то внизу формы будет доступна кнопка «Зарисовка». В противном случае эта кнопка будет не доступна. При нажатии на кнопку «Зарисовка» запуститься windows-приложение для просмотра растровых изображений, в котором откроется зарисовка выбранного ГДЯ (рисунок 4.4). Закрыть форму можно путем нажатия на кнопку «Закрыть», либо клавишей «Esc».