Введение к работе
Актуальность проблемы. При разведке и эксплуатации угольных месторождений одной из основных геологических задач является обнаружение и достоверный опережающий прогноз малоамплитудных разрывных нарушений, непредвиденная встреча с которыми при выемке угля существенно осложняет работу угольных шахт, тем самым увеличивая экономические затраты и соответственно стоимость угля. Эта проблема в наиболее острой форме проявилась при внедрении автоматизированных проходческих комплексов в 70-х годах и актуальна до настоящего времени, принимая в условиях рыночной экономики специфические формы.
Для решения задач изучения тектоники угольных месторождений на протяжении последнігх трех-четырех десятилетий разработано и опробовано большое количество методов и методик, многие из которых успешно применяются. Приоритетную роль играют геофизические методы, позволяющие получать объемную информацию при значительно низких по сравнению с бурением экономических затратах. Многолетняя практика показала, что при изучении тектонических нарушений на угольных месторождениях из комплекса геофизических мегодов наиболее информативными являются сейсморазведка и электроразведка. Последняя уступает сейсморазведке в глубинности, но является более оперативной, дешевой, легкодоступной для применения в скважинах и шахтах.
Проблемам разработки, совершенствования и применения методов скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях посвящена настоящая работа.
Цель работы - разработать новые, эффективные методы, способы и технологии скважинной и шахтной электроразведки, обеспечивающие повышенную достоверность изучения и прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях.
Основные задачи исследований.
-
Создать физико-геологическую основу применения новых скважин-ных и шахтных методов электроразведки с использованием выявленных специфических петрофизических характеристик разрывных нарушений, приразрывных зон и вмещающих угленосных пород и построенных по этим данным физико-геологических моделей (ФГМ).
-
Исследовать возможности пространственной физической фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина для разработки метода выявления и изучения тектонических нарушений в околоскважин-ном пространстве в комплексе с другими геолого-геофизическими методами.
-
Изучить особенности распространения радиоволнового поля в угленосных отложениях и в проводящих антрацитовых пластах; сконструн-
ровать малогабаритную шахтную аппаратуру; разработать технологии скважинной и шахтной радиоволновой томографии для выявления и прогнозирования тектонических нарушений и др. локальных объектов в массиве угленосных пород.
Объекты и методы исследования. Объектами научных исследований являлись: а) система знаний петрофизических закономерностей угольных месторождений и построенных с их использованием ФГМ; б) система теоретических воззрений электроразведки; г) технологические системы разведки угольных месторождений. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретического анализа, математического и физического моделирования, а также натурных экспериментов в Донецком каменноугольном бассейне, на отдельных угольных месторождениях Кузнецкого бассейна, Средней Азии и Дальнего Востока.
Основные научные положения. В диссертации защищаются:
-
Методика оптимизации геологоразведочных работ с использованием петрофизических закономерностей приразрывных зон и разработанных новых методов скважинной и шахтной электроразведки, которые позволяют: а) целенаправленно формировать и исследовать физико-геологические модели объектов; б) осуществлять разработку, опробование и иерархическую увязку новых методов и рациональных технологий в условиях изменяющегося окружения; в) проводить в интерактивном режиме оптимизацию взаимных связей между двумя способами проникновения в угленосную толщу (бурением - геофизикой).
-
Объемные пстрофизические модели тектонических разрывных нарушений и угленосного массива пород в целом, отражающие выявленные эмпирические особенности: а) физические параметры закономерно изменяются в приразрывных зонах, состоящих из трещин смещения и измененных пород висячего и лежачего крыльев, в зависимости от степени преобразования угленосных пород; б) характеристики физических свойств в приразрывных зонах закономерно изменяются на разных стадиях лити-фикации в зависимости от типа разрывного нарушения (надвиг - сброс) и его амплитуды смещения, что позволяет корректировать типовые гсо-электрические модели и обеспечивает оптимизацию геофизических методов при полевых работах, обработке данных и прогнозировании тектонической нарушенное.
3. Разработанный и доведенный до современного технологического
уровня новый метод пространственной электрической фильтрации в сква-
жинком варизігге (МПЭФ-С), обеспечивающий селективное изучение на-
рушенности угленосных отложений: а) выявление разрывных нарушений в
околоскважинном пространстве на всех стадиях поисков и разведки уголь
ных месторождений; б) определение пространственного положения оди
ночных или серии субпараллельных разрывов; в) оценку особенностей
развития тектонических нарушений в околоскважинном пространстве путем многоуровневой интерпретации при кустовых и площадных сква-жшшых исследованиях. Технология полевых работ и обработки материалов МПЭФ-С включает применение двухзондовых регистрирующих установок, устройство малых питающих линий, цифровую регистрацию данных, вычисление аномальных отклонений индикационных параметров (коэффициентов корреляции, среднего квадратического отклонения и др.).
4. Высокоэффективная методика изучения угленосных толщ и разработанная технология скважинной и шахтной радиоволновой томографии (РВМ-Т), основанные на сформированных по результатам теоретических и экспериментальных исследований квазилучевых моделях распространения электромагнитного поля, в том числе в проводящих пластах антрацитов, в диапазоне частот 0.02-1.3 МГц. Технология включает: а) применение специатьных способов гальванического возбуждения и индуктивного приема в горных выработках, что позволяет просвечивать угольные целики на расстояниях 300-500 м при мощности генератора до 5 Вт; б) использование современной малогабаритной аппаратуры, обеспечивающей импульсный режим возбуждения, запись наведенных и фоновых значений в электронную записную книжку с последующим вводом данных в компьютер через стандартный интерфейс; в) томографическую обработку результатов квазилучевыми способами, достоверность которых подтверждается моделированием томограмм прямого и обратного вариантов и последующими проверочными скважинами и горными работами.
Обоснованность и достоверность научных положений доказываются: а) согласованностью новых теоретических и экспериментальных данных с современными достижениями отечественной и зарубежной угольной геофизики по прогнозированию тектонических нарушений в угленосных отложениях; б) опытом положительного использования авторских разработок другими исследователями; в) подтверждением по результатам экспериментальной проверки (буровыми и горными работами) полученных новыми методами прогнозных данных.
Научная новизна. Впервые разработаны совремеїпїьіе высокоэффективные технологии выявления и изучения тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки, в том числе:
1. На основании оригинальных методик и взятых в шахтах в зонах разрывных нарушений образцов пород изучены петрофизические особенности цриразрывных зон угленосных толщ и выявлены закономерности изменения Физических свойств пооод в зависимости от типа и амплитуды разрывных нарушений на разных стадиях преобразования пород. Это позволило обосновать типовые геолого-геофизические модели приразрывных зон, использующиеся при разработке методики полевых исследований, интерпретации геофизических наблюдений и геологическом истолковании.
-
В результате исследований физической фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина разработан и внедрен в производство новый метод пространственной электрической фильтрации в сква-жинном варианте, сущность которого заключается в экспрессной оценке тектонической нарушенности угленосной толщи в околоскважишюм пространстве путем сравнения кривых градиента потенциала поля при его разнонаправленном возбуждении вокруг ствола скважины. Метод вписывается в существующую технологию скважинных геолого-геофизических исследований, выполняется при заключительном каротаже.
-
На основании оригинальных воззрений и проведенных экспериментов разработаны технология скважинной радиоволновой томографии для выявления и изучения тектонических нарушений угленосных отложений в межскважишюм пространстве и технология шахтной радиоволновой томографии для изучения антрацитовых угольных пластов в лавах перед их отработкой. Технологии предусматривают многоракурсные наблюдения и автоматизированную обработку данных экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Использование научных разработок позволяет:
увеличить полноту и достоверность геологического прогноза тектонической нарушенности угленосных отложений на стадиях поисков, разведки и эксплуатации угольных месторождений;
повысить экспрессность прогнозирования тектонической нарушенности и снизить затраты на производство работ;
повысить экономическую эффективность и безопасность при разработке угольных месторождений.
Реализация работы. Основные научные положения и выводы диссертации в той или иной степени постоянно используются в производственных и научных углеразведочных и угледобывающих организациях России, Украины, Киргизии в соответствии с утвержденными и изданными нормативно-методическими документами:
-
Изучение тектоники угольных месторождений методами скважинной электроразведки (временные методические указания) /ВНИГРИУголь. - Ростов-на-ДонуД988. - 55 с.
-
Методические рекомендации по изучению тектонической нарушенности в углеразведочных скважинах /ВНИГРИУголь.- Ростов-на-Дону, 1988.-45 с.
3. Методическое руководство по скважинной электротомографии для
изучения тектоники угленосных отложений /ВНИГРИУголь. - Ростов-на-
Дону, 1991. - 57 с.
Внедрение разработок осуществлялось путем непосредственного участия автора в полевых испытаниях и производственных работах в Донец-
ком и Кузнецком бассейнах, на шахтах АО "Ростовуголь" и АО "Гуков-уголь".
Апробация. Основные теоретические, методические и практические результаты работы докладывались и обсуждались на четырех Всесоюзных угольных совещаниях (V - Ростов-на-Дону, 1977; VII - Ростов-на-Дону, 1981; VIII - Ростов-на-ДонуД986; IX - Ростов-на-Дону,1991), на V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (г.Звенигород Московской обл.,1991), на Всесоюзной научно-технической конференции но прогнозированию горно-геологических условий в угольных шахтах (г.Шахты Ростовской обл., 1976), на Зональной научной конференции "Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых юга России" (г.Новочеркасск Ростовской обл.,1995), на выездной сессии межведомственного координационного Совета по угольной геофизике (г.Ростов-на-Дону,1994), в лекциях по курсам "Петрофизика" и "Электроразведка", читаемых автором на горно-геологическом факультете НГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 212 страницах, содержит 68 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 214 наименований.