Введение к работе
Актуальность работы. Результаты многочисленных исследовании свидетельствуют о том, что в ближайшее десятилетие подземная добыча угля на шахтах России и стран ближнего зарубежья будет в основном обеспечиваться за счет работы ныне действующих шахт, горно-геологические условия залегания угольных пластов на которых усолжняются в связи с тем, что:
происходит переход на выемку нижележащих пластов, что приводит к необходимости ведения горных работ под целиками, оставляемыми на отработанных горизонтах;
горные работа смещаются на края шахтных полей, отрабатываются прикоатурные запасы и отдельные линзы;
вводятся в эксплуатацию шахтопласты с сильно развитой тектонической нарушениостыо;
ведется отработка угольных пластов под водными объектами, гражданскими и промышленными сооружениями.
Перечисленные факторы, осложняющие ведение горных работ, в подавляющем большинстве случаев являются основными причинами возникновения зон: повышенного горного давления (ПГД), трещшгаватости, опасных по внезапным выбросам угля и газа, опасных по прорывам воды в горные выработки.
Приближение горных работ к нарушению вызывает концентрацию напряжений между забоем п нарушением, что приводит к формированию благоприятных условий для инициирования газодинамических явлений и горных ударов. Поэтому при выборе рациональной технологии подземных горных работ, параметров и порядка отработки месторождений первостепенное значение имеет нетолько надежный прогноз горно-геологических условий залегания угольного пласта, его нарушенности, но и фундаментальные знания об исходном напряженном состоянии массива и его изменении в процессе ведения горных работ, особенностях свойств и структуры пород.
Современные геологические, геомеханические и геофизические методы прогнозирования нарушенности углепород-ного массива не обеспечивают необходимой надежности выявления и локализации аномально-напряженных зон. Одним из возможных путей повышения надежности прогнозирования таких зон угольного пласта и вмещающих пород является применение методов шахтной сейсморазведки, а также современных методов математического моделирования волновых полей и автоматизированной обработки для оценки информативных параметров отдельных типов волн и выбора оптимальной схемы проведения шахтных сейсмоисследований.
Таким образом, задача теоретического и экспериментального исследования влияния зон ПГД и зон трещиноватости на структуру полного волнового поля и параметры отдельных типов волн, а также разработка на этой основе информативных критериев и методики прогнозирования аномально-напряженных зон угольного пласта и вмещающих пород является актуальной.
Цель работы - установление закономерностей изменения структуры полного волнового поля и параметров отдельных типов волн при движении по углепородному массиву с различными типами нарушений, для разработки информативных критериев и методики протезирования аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки, повышающих эффективность и безопасность ведения горных работ на нарушенных угольных пластах.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения структуры волнового поля, а также кинематических и динамических параметров отдельных типов волн при распространении через аномально-напряженные зоны для разработки критериев и методики определения размеров и параметров исследуемых зон нарушенности углепородного массива.
Научные положения, защищаемые в диссертации;
сейсмогеологнческая модель углепородного массива, учитывающая трещинную пористость угольного пласта и вмещающих пород;
математическое описание, способы и результаты расчетов процесса формирования и распространения полного волнового поля в углепородном массиве через аномально-напряженные зоны;
теоретические и экспериментальные зависимости между параметрамианомальио-напряженныхзониструктуройволново-
го поля в целом, а также динамическими и кинематическими характеристиками отдельных типов волн;
информативные критерии выявления и определения основных параметров аномально-напряженных зон;
методику сейсмоакустипсского прогноза аномально-напряженных зон, основанную на использовании методов математического моделирования для предварительного исследования полного волнового поля с целью разработки эффективной методики проведения шахтных сейсморазведочных работ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработано математическое описание влияния аномально-напряженных зон на переменые коэффициенты системы линейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих формирование и распространение волновых полей;
установлено оптимальное конечно-разностное разложение частных производных дифференциальных уравнений, позволяющее получить теоретическое волновое поле, близкое к реальному;
установлены теоретические и экспериментальные зависимости параметров боковых и каналсвых волн от степени изменения эффективных модулей упругости в зоне и ее размеров;
установлены теоретические зависимости мощности отраженного сигнала от величины скачка эффективных модулей упругости углепородиого массива на границах зон ПГД и зон трещино-ватости;
теоретически и экспериментально обоснованы параметры системы шахтных сейсмоакустическах исследований при выделении и оценке параметров аномально-напряженных зон.
Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается:
высокой степенью надежности (0,93) применяемого метода математического моделирования, использованного в работе;
результатами комплексного экспериментального исследования влияния горного давлення на параметры волнового поля при одновременном использовании метода сейсмоакустического просвечивания и метода скважинных деформометров;
высокой степенью надежности (0,95) прогнозирования аномально-напряженных зон методом сейсмопросвечивания и методом отраженных волн.
Практическое значение работы состоит в разработке на основе результатов теоретических и экспериментальных исследо-ваний методики выявления и идентификации нарушенное угольного пласта (включая и аномально-напряженные зоны), что увеличивает надежность прогноза и тем самым создает дополнительные возможности для рационального планирования горных работ, эффективного применения высокопроизводительного очистного и проходческого оборудования и своевременного прогноза газодинамических явлений.
Реализация работы. "Комплект программ моделирования процесса распространения волнового поля в угленосной толще" зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. "Комплект программ обработки..." зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. Указанные комплекты программ внедрены в экспедиции "Печоруглеразведка" с подтвержденным экономическим эффектом 149,7 тысруб. (в ценах 1991-1992 гг.) при долевом участии автора 36%. В УкрНИМИ внедрена "Методика выявления аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки" с подтвержденным экономическим эффектом 4,368 млн.руб. (в ценах 1994 г.) при долевом участии автора 38 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Люберцы, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Молодые ученые - КАТЭКу" (г. Красноярск, 1988 г.), 10-м Всесоюзном научно-техническом семинаре "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач" (г. Москва, 1989 г.), 6-м Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (г. Новосибирск, 1991 г.), научно-технических советах УкрНИМИ.
Публикации. По результатам выполиеных исследований опубликовано 13 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 131 страницу машинописного техс-та, 39 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 156 наименований и два приложения.