Петрофизические основы технологии прогнозирования выбросоопасности угольных пластов Гончаренко, Вячеслав Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Анализ состояния мировой энергетики показывает, что уголь является наиболее стабильным сырьем и его роль в энергопотреблении постоянно возрастает. В Украине значительные запасы энергетических и коксующихся углей находятся в Донбассе на глубоких горизонтах, где сосредоточено 90% горных работ, но перспектива их добычи осложняется в значительной мере специфическими горно-геологическими условиями. Наиболее опасны в этом плане газодинамические явления, среди которых по массовости проявлений выделяются выбросы угля и пород. Выбросы, наряду с материальными потерями и технологическими осложнениями при ведении горных работ, реально угрожают жизни шахтеров.

Успехи, достигнутые в развитии горной науки и практики, позволили разработать к началу 80-х годов научные основы теории выбросов и создать ряд нормативных документов, регламентирующих способы прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа.

Существенный вклад в развитие теоретических и практических аспектов проблемы выбросоопасности внесли как отечественные ученые Ф.А. Абрамов, А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, И.А. Бобров, Л.Н. Быков, В.Е. Забигайло, А.Н. Зорин, Б.М. Иванов, В.Г. Колесников, Г.С. Коньков, А.И. Кравцов, Г.Д. Лидин, В.В. Лукинов, B.C. Маевский, СП. Минеев, В.И. Мякенький, ЯЗ. Некрасовский, В.И. Николин, А.Э. Петросян, И.М. Петухов, А.И. Печук, В.Н. Потураев, В.Н. Пузырев, А.А. Скочинский, К.К. Софийский, Г.Н. Фейт, О.И. Чернов, В.В. Ходот, С.А. Христианович, Г.А. Шевелев, И.Л. Эттингер и др., так и зарубежные Ж. Белен, В. Бубнов, М. Жарлие, К. Кегель, О. Руфф и др.

Исследование выбросов угля, пород и газа проводится на основе комплекса свойств горного массива: напряженного состояния, газоносности, тектоники и т.п. Большое значение для решения задач, связанных с прогнозом выбросоопасности угольных месторождений, имеют работы М.С. Анцыферова, А.В. Артемова, Б.И., Воеводы, М.П. Зборщика, B.C. Иванова, О.В. Колоколова, Ю.Н. Нагорного, А.Е. Ольховиченко, А.Я. Радзивилла, В.В. Репки, В.В. Соболева, Е.И. Фоминых и др

Разработанная единая энергетическая теория выбросов не привела к созданию принципиально новых методов прогноза выбросоопасности, которые базировались на оценке показателей выбросоопасности, определяемых по пробам из скважин и забоев в шахтах. Наблюдаемое снижение числа выбросов угля, пород и газа в Донбассе с 1992 по 1999 год определяется уменьшением угледобычи и консервацией запасов на пластах с особо осложненными условиями разработки.

Однако снижения удельного количества выбросов, отнесенного к объему добытого угля, не происходит и, следовательно, выбросоопасность угольных пластов в процессе горных работ в целом не уменьшается. Это объясняется, прежде всего, несовершенством различных видов прогноза выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород и крайне низкой технологичностью их выполнения, базирующихся на достаточно больших объемах опробования и соответственно трудоемких лабораторных определениях показателей выбросоопасности, а также разобщенностью всех видов прогноза от стадии разведки шахтного поля до эксплуатации шахты.

В то же время на участках разведки и действующих шахтных полях имеется большое количество скважин с записанными в аналоговой или цифровой форме непрерывно по всему разрезу угленосной толщи геофизическими параметрами стандартного каротажа (электрическое сопротивление, естественная и наведенная радиоактивность, скорость продольных волн и др.), которые отражают соответствующие физические поля угольных пластов в горном массиве. Отсутствие информации о петрофизических взаимосвязях между показателями или критериями выбросоопасности угольных пластов и геофизическими параметрами не позволяет использовать для прогноза выбросоопасности данные каротажа.

Поэтому повышение надежности и информативности прогноза выбросоопасности угольных пластов путем создания петрофизических основ технологии прогнозирования является актуальной прикладной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное, социальное и отраслевое значение.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация обобщает результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии и под руководством автора в Институте геотехнической механики НАН Украины в соответствии с целевыми комплексными программами ГКНТ и Академий наук СССР и УССР {проблема 0.05.05. Создать способы и технические средства для разработки выбросоопасных угольных пластов, методы прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа - №№ государственной регистрации НИР: 01829057373, 01840075035, 01860121522), а потом Украины и отраслевыми планами НИР Минуглепромов СССР и УССР, а также с планами НИР Министерства угольной промышленности Украины и Государственного комитета геологии и использования недр Украины (№№ государственной регистрации НИР: 0193U029801, 0195U006672, 0197U006861, 0295U002688).

Идея работы заключается в использовании петрофизических взаимосвязей основных показателей выбросоопасности угольных пластов и их геофизических параметров, измеренных в углеразведочных скважинах, и разработке на этой основе комплексного автоматизированного прогноза выбросоопасного со-

стояния углепородного массива шахт по геофизическим данным в режиме открытого мониторинга.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание петрофнзических основ технологии комплексного прогнозирования выбросоопасности угольных пластов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать физическими методами (оптический, электронно-оптический, рентгеноструктурный, электронно-парамагнитный резонанс) на микро- я макроуровнях в качестве показателей выбросоопасности угольных пластов структурные особенности, сорбционную метаноемкость, органическую и минеральную составляющие угля из проб (масса до 5г), отбираемых прн каротаже скважин бойками.

2. Изучить петрофизические взаимосвязи основных показателей выбросоопасности угольных пластов, отражающих их вещественный состав, структурные особенности, газонасыщенность, напряженное состояние, и геофизических параметров (электрическое сопротивление, радиоактивность, скорость продольных волн и т.п.), измеренных в процессе каротажа этих пластов в скважинах.

3. Разработать вероятностно-статистическую модель для надежной оценки степени выбросоопасности угольных пластов по геофизическим параметрам в конкретных горно-геологических условиях шахтного поля.

4. Разработать методологию автоматизации прогноза выбросоопасности и создать на основе числовой геолого-геофизической информации необходимые алгоритмы и программы.

5. Разработать методику прогноза выбросоопасности угольных пластов по геофизическим данным и на этой основе создать технологию комплексного прогноза выбросоопасности углепородного массива, позволяющую объединить в режиме мониторинга все виды прогнозов на стадиях разведки, эксплуатации и закрытия шахты.

6. Выполнить опытно-промышленную проверку разработанной технологии прогноза выбросоопасности в различных горно-геологических условиях на участках разведки и доразведки шахтных полей.

Объектом исследований являются выбросоопасные угольные пласты, которые изучались на участках разведки и доразведки шахтных полей и на действующих шахтах в Донецком и Львовско-Волынском бассейнах в Украине, Печорском в России и Карагандинском в Казахстане.

Предметом исследований является прогноз выбросоопасности угольных пластов.

Методы исследований: лабораторные физические (оптический, электронно-оптический, рентгеноструктурный, электронно-парамагнитный резо-

нанс) и скважинные геофизические - соответственно для разработки показателей и прогноза выбросоопасности угольных пластов; программированные статистические методы обработки и математического моделирования — для создания петрофизической основы перехода к прогнозу выбросоопасности по геофизическим параметрам; геоинформационные технологии - для расчета и представления прогнозируемой выбросооласной ситуации; системный анализ полученных результатов прогноза выбросоопасности углепородного массива.

Научная новизна полученных результатов

Научные положення, которые защищаются автором:

структурные особенности, сорбционная метаноемкость, органическая и минеральная составляющие угля, определяемые на микронавесках по бойковым каротажным пробам, характеризуют локальную площадную и послойную вертикальную зональность выбросоопасности угольного пласта, при этом нарастание нарушенности, потенциальной сорбции и степени углефикации органической составляющей повышает, а наличие пластифицирующих (глинистых) минералов в золе снижает его выбросоопасность;

показатели выбросоопасности угольных пластов, характеризующиеся их вещественным составом, структурными особенностями, газонасыщением, напряженным состоянием, и геофизические параметры (электрическое сопротивление, естественная и наведенная радиоактивность, скорость упругих волн, ка-вернозность) имеют устойчивые и однозначные парные петрофнзические взаимосвязи, что предопределяет количественное решение задач расчета показателей и комплексных критериев выбросоопасности с помощью геофизических данных путем математического моделирования на основе применения программных средств и вычислительной техники;

петрофизической основой прогноза выбросоопасности угольных пластов является региональная и локальная изменчивость геофизических параметров, при этом электрическое сопротивление, наведенная радиоактивность и ка-вернозность в выбросоопаскых зонах угольных пластов увеличиваются (за счет повышения трещиноватости, газоносности и снижения влажности), а естественная радиоактивность уменьшается (за счет снижения содержания глинистых минералов в золе);

физико-механическая жесткость и напряженное состояние углепородного массива обусловлены его литолого-фациальными особенностями и связаны с увеличением относительного содержания плотных кварцевых песчаников с аномально прочностными (о_м > 75МПа и о_р > 5МПа) и упругими (Е_д > ЗОГПа) свойствами, что способствует возрастанию локальной и региональной выбросоопасности угольных пластов.

Научная новизна:

1.Впервые установлено, что трешиноватость угля, определяемая оптическим и электронно-оптическим методами по каротажным бойковым пробам, тесно коррелируется на микро- и макроуровнях (коэффициенты корреляции более 0,75) и является весьма информативным показателем выбросоопасного состояния угольных пластов.

2. Впервые установлена закономерность влияния потенциальной сорбци-онной способности углей, полученной методом электронно-парамагнитного резонанса, на их выбросоопасность, подтвержденная зависимостью значений сорбции а_1Пр со значениями прогнозного критерия выбросоопасности "В^у" (соответственно и с информацией о выбросоопасности опробованных шахтопла-стов), что позволяет рекомендовать сц_пр в качестве прогностического показателя. Применение информативного параметра а,_пр в качестве оценки "газового фактора" повысит достоверность и надежность расчета комплексного критерия выбросоопасности угольных пластов "В^у".

3. Методом рентгенографического анализа и идентификации минеральных компонентов впервые установлено, что минеральные компоненты в неопасных по выбросам слоях и пластах в целом более выдержаны по своему составу и представлены в основном глинистыми минералами (каолинитом, монтмориллонитом и т.п.), которые играют роль пластификаторов и тем самым снижают выбросоопасность пласта.

4. Впервые установлены устойчивые и однозначные петрофизические зависимости (коэффициенты корреляции 0,4 - 0,7 при доверительном интервале надежности 0,9 - 0,95 и уровне значимости не менее 0,75) между геофизическими параметрами, измеренными в скважинах, и показателями выбросоопасности, определенными по образцам из тех же скважин.

5. Впервые установлено, что электрическое сопротивление, наведенная радиоактивность и кавернозиость в выоросоопасных зонах угольных пластов увеличиваются за счет повышения нарушенное - трещиноватости, газоносности и снижения влажности, а естественная радиоактивность уменьшается за счет снижения количества глинистых минералов в золе. Эти закономерности позволили создать петрофизическую основу прогноза выбросоопасности, базирующуюся на многомерной математической модели выбросоопасности угольных пластов.

6. Впервые установлено, что все параметры стандартного комплекса каротажа углеразведочных скважин информативны и используются для оценки выбросоопасности угольных пластов с помощью разработанной математической модели в виде полинома второй степени без смешанных членов, которая получена итерационным путем в результате применения методов регрессионного анализа, реализованных компьютерными программами.

7. Впервые установлено, что с увеличением относительного содержания плотных кварцевых песчаников с аномально прочностными (а_сж > 75МПа и с_р > 5МПа) и упругими свойствами (Ej > ЗОГПа) в углепородном массиве повышается его физико-механическая жесткость и напряженное состояние, которые способствуют формированию выбросоопасного состояния угля.

Практическое значение полученных результатов заключается в разработке комплекса методов оценки выбросоопасности и способов автоматизации, который позволил создать основы технологии прогноза выбросоопасности угольных пластов в массиве горных пород шахтного поля на разных стадиях его освоения вплоть до закрытия. В основу этого комплекса входят:

экспресс-метод прогноза выбросоопасности угольных пластов по массе
угля из бойков, которыми опробываются пласты в процессе геофизических ис
следований в скважинах: при наличии угля со средней массой в бойке на шахт
ном поле й < 1,3г пласт относят к выбросоопасным, в интервале 1,3г < й < 2,0г-
к угрожаемым и при й >2г к неопасным (авторское свидетельство № 1219825,
СССР);

» методика определения показателей выбросоопасности угольных пластов по данным геофизических исследований скважин на основе применения многофакторных моделей, связывающих эти показатели с комплексом геофизических параметров стандартного угольного каротажа (относительная ошибка не превышает 30%);

в алгоритмы и программы для решения задач прогноза выбросоопасности по геофизическим данным и построения основы разреза с выбросоопасной ситуацией;

методика прогноза выбросоопасности угольных пластов по данным
геофизических исследований скважин на стадиях детальной разведки геологи
ческих участков, доразведки шахтных полей, строительства и эксплуатации
шахт (относительная ошибка определения комплексного критерия выбросо
опасности "В^у" не более 20% при надёжности прогноза выбросоопасности не
менее 85 %).

Проведенный комплекс исследований по разработке методов прогноза выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород (совместно с ИГД им. А.А. Скочинского и ПО "Укруглегеология") и их промышленные испытания в Донецком бассейне составили основу для разработки "Временного руководства по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассейне", которое вошло в "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (разд.2, п.2.1.2), М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1989.

С учетом модернизированной системы автоматизации разработано "Временное методическое руководство для прогнозирования выбросоопасности угольных пластов в Донецком бассейне на основе геолого-геофизических дан-ных"(1992г.), утвержденное в установленном порядке на уровне отрасли.

Все основные методические разработки диссертации днедрены на геологических и горных предприятиях Донецкого (участки разведки: Брагиновский, Бутовский, Успенский-Южный; шахты им. Изотова, Комсомолец, им. Ленина, им. Гагарина, им. Ворошилова, им. 50-лет СССР- ПГО "Донбассгеология", "Луганскгеология", ПО "Артемуголь", "Краснодонуголь"), Львовско-Волын-ского (шахта Тягловская 1, Любельская площадь - ПГО "Запуглегеология"), Печорского (шахты: Воркутинская, Заполярная и Северная - ПО "Воркута-уголь") и Карагандинского (участок разведки Саранский-Глубокий - ПГО "Центрказгеология", ПО "Карагандауголь") бассейнов. Реальный экономический эффект от внедрения разработок автора, только по семи из названных шахт, составляет 201,4 тыс. руб. (в ценах до 1991г.).

Личный вклад автора. Автором самостоятельно сформулированы цель и задачи исследований, идея работы, основные научные положения, выводы и рекомендации, разработаны концепция работы и её главные научно-технические принципы. Как ответственный исполнитель автор принимал непосредственное участие в организации исследований, выборе методов, проведении полевых и шахтных экспериментов, разработке, испытаниях и внедрении методов и комплексной технологии прогноза выбросоопасности углепородного массива шахт. Разработка технологии комплексного прогнозирования выбросоопасности углепородного массива шахты в режиме открытого мониторинга проводилась автором самостоятельно путем обобщения большого количества исходных геологических, горных и геофизических данных, методических разработок по прогнозам и внедрению этих разработок на всех этапах исследования, изучения возможностей и освоения современных персональных ЭВМ и программного обеспечения для среды Windows. Содержание диссертации изложено автором лично.

Апробация результатов диссертации. Основные положения, научные и практические результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на четырех Всесоюзных геологических угольных совещаниях (г.Львов: VI-1980r.; г.Ростов-на-Дону: VII—1981г., VIII - 1986г., IX-1991г.), на Международном симпозиуме "Горнорудный Пржибрам в науке и технике" (Чехословакия, 1981г.), на Всесоюзных научных школах "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (г.Симферополь-1987, 1990гг.), на V Всесоюзном семинаре "Горная геофизика" (г.Телави-1989г.), на X Всесоюзной научной конференции "Физические процессы горного производства" (г.Москва-1991г.), на

Международном симпозиуме "Применение математических методов и компьютерных технологий при решении задач геохимии и охраны окружающей среды" (г.Львов-1994г.), на X Всероссийском угольном совещании (г.Ростов-на-Дону-1999г), на Международных научно-практических конференциях: "XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых" и "Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле" (г.Днепропетровск-1998, 2000гг.), а также на заседаниях Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля и газа Минугле-прома СССР и ее секции по Донецкому бассейну, на научных семинарах отдела геологии угольных месторождений больших глубин и Ученом совете Института геотехнической механики НАН Украины в 1990~2000гг.

Результаты диссертации на разных этапах ее выполнения экспонировались на ВДНХ СССР и ВДНХ УССР (бронзовая медаль).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 97 научных трудах. Из них: 1 монография, 4 брошюры, 32 статьи в научных журналах и сборниках научных трудов, 3 изобретения, 24 статьи, депонированные в ВИНИТИ и ГПНТБ Украины, 33 материала и тезисов научных конференций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 211 наименований, 30 приложений и содержит 425 страниц машинописного текста, в том числе 275 страниц основного текста, 20 таблиц и 50 рисунков.