Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей разработки пологих угольных пластов в сложных гидрогеологических условиях Подмосковного бассейна 13
1.1. Геолого-геофизический анализ угленосных геологических структур 13
1.2. Разработка пологих угольных пластов с учетом геологических условий их залегания 18
1.3 Оценка основных причин дестабилизации работы очистных забоев угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях 25
1.4. Основные типы геологических нарушений углепородных массивов в Подмосковном бассейне 31
1.5. Анализ и оценка применения геофизических методов прогнозирования нарушенных и обводненных зон 36
1.6. Выводы и постановка задач исследований 46
2. Разработка и исследование имитационных и математических моделей геоэлектрических условий уголевмещающего комплекса пород 50
2.1. Аналитические исследования геотехнологических характеристик пород кровли в связи с их электрометрическим прогнозированием 50
2.2. Обоснование геоэлектрических и геотехнологических характеристик основных литотипов пород по данным физического моделирования 55
2.3. Разработка имитационной геоэлектрической модели и обоснования ее параметров по данным стандартного каротажа 65
2.4. Разработка и исследование математической модели геоэлектрических условий углепородного массива 72
2.5. Выводы 86
3. Обоснование и установление параметров подземно полевого метода электрометрического прогнозирования состояния массива горных пород 88
3.1. Требования горного производства к методу полевой электроразведки и ее аппаратурному обеспечению 88
3.2.Технологические и физико-математические основы метода наземно скважинной и подземно-скважинной электрометрии 96
3.3. Разработка методики проведения полевых и подземных электрометрических измерений 103
3.4. Выводы 116
4. Разработка и математическое обоснование методики интерпретации электрометрических данных для прогнозирования нестабильных ситуаций при отработке угольных пластов 118
4.1. Аналитические исследования методов обработки и интерпретации результатов геофизических исследований 118
4.2. Горно-техническая необходимость повышения уровня прогноза нарушенных зон в массиве горных пород 126
4.3. Исходные данные и алгоритм расчета методики интерпретации электрометрических данных 130
4.4. Апробация методики на примере реальной горно-геологической задачи 140
4.5. Выводы 146
5. Промышленные исследования под земно-полевого электрометрического метода прогнозирования геотехнологических условий ведения горных работ 148
5.1. Обоснование технологий ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях с учетом полевого электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна 148
5.2. Опыт картирования забоя скважин полевой электрометрией при наличии горной выработки 172
5.3. Промышленное применение подземно-полевого электрометрического метода прогноза аномальных зон в углевмещающем комплексе пород. 176
5.4. Применение методики интерпретации электрометрических данных для обоснования технологии отработки угольных пластов 181
5.5. Выводы 210
6. Подготовка угольных пластов к отработке на основе электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон и экономическая эффективность прогноза 212
6.1. Обоснование схем подготовки выемочных столбов к отработке с учетом определения оптимальной длины лавы по данным электрометрического прогноза 212
6.2. Результаты внедрения подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна 224
6.3. Экономическая эффективность внедрения результатов исследований 230
6.4. Выводы 233
Заключение 235
Литература 237
- Геолого-геофизический анализ угленосных геологических структур
- Требования горного производства к методу полевой электроразведки и ее аппаратурному обеспечению
- Обоснование технологий ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях с учетом полевого электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна
- Результаты внедрения подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна
Введение к работе
Актуальность работы. Необходимым условием эффективного планирования отработки угольных месторождений является наличие надежной информации прогнозного характера об их гидрогеологических условиях. При этом особое значение имеет обнаружение нарушенных и обводненных зон в надугольном комплексе пород. При ведении геологоразведочных работ и последующей доразведке угольных месторождений с использованием стандартной сетки расположения скважин достигаемая надежность описания свойств и состояния массива горных пород не превышает 50%. В процессе ведения горных работ с появлением техногенной нарушенности в массиве происходит перераспределение напряженного состояния, изменяются гидродинамические режимы подземных вод в обводненных горных породах и соответственно изменяются их свойства и состояние. Существующие способы осушения шахтных полей не учитывают наличия локальных прорывоопасных зон в углевмещающих породах. В результате в действующих очистных забоях происходят катастрофические прорывы подземных вод из надугольных водоносных горизонтов. Например, на ш.«Никулинская» в очистных забоях ежегодно происходит до 10 прорывов воды с дебетом 20-40 м3 и выносом песка от 100 до 2500 тыс.м3. Это приводит к остановке забоев и потере объемов добычи угля. Поэтому на стадии эксплуатации шахт Подмосковного бассейна широко применяется оперативный геофизический прогноз и контроль гидрогеологического состояния и технологических свойств массива. Среди них наибольшее распространение получил электрометрический прогноз, уровень надежности которого на действующих шахтах достигает 70%.
Усложнение гидрогеологических и горнотехнических условий на перспективных участках Подмосковного угольного бассейна (связанное с увеличением до 130 м глубины залегания угольного пласта и наличием мощного надугольного тарусско-окского водоносного горизонта), необходимость роста нагрузки на очистной забой и обеспечения безопасности ведения горных работ требуют повышения надежности электрометрического прогноза гидродинамического состояния углепородного массива для обоснования новых геотехнологических решений разработки обводненных угольных месторождений. Применение автоматизированного электрометрического мониторинга надугольного комплекса пород путем приближения приёмно-питающих (линейных) электродов к объекту исследования и оперативной обработки результатов полученных измерений позволит повысить надежность прогноза и контроля гидрогеологических и технологических свойств массива и интегрировать указанный прогноз в общешахтную систему автоматизированного контроля.
Таким образом, разработка подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования состояния обводненных углепородных массивов Подмосковного бассейна является актуальной и важной научной проблемой.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (Рег.номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № 02.740.11.0319).
Целью диссертационной работы является разработка подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования состояния обводненных углепородных массивов Подмосковного бассейна, позволяющего кардинально повысить информативность и надежность оценок нарушенности и обводненности надугольного комплекса пород, а также гарантировать выявление прорывоопасных зон в нем для эффективной и безопасной отработки угольных пластов.
Основная идея работы состоит в комплексной оценке и использовании закономерностей влияния трещиноватости, обводненности, слоистости, нарушенности и механических свойств углепородного массива на его электрофизические свойства и создании на основе установленных закономерностей моделей, алгоритмов, программных комплексов и аппаратуры, позволяющих оценивать фактическое состояние массива и прогнозировать динамику его изменений при ведении горных работ для принятия решения о способах подготовки угольных пластов к эффективной и безопасной отработке.
Методы исследований:
- анализ и обобщение существующих методов оценки и прогнозирования условий залегания и нарушенности углепородного массива;
- аналитические методы математического моделирования электрических полей в углевмещающих породах;
- натурные экспериментальные исследования влияния строения, нарушенности, обводненности и физико-механических свойств массива горных пород на электрические параметры, регистрируемые в полевых и шахтных условиях;
- компьютерная обработка, анализ и интерпретация геофизической информации, полученной в натурных экспериментах, с помощью разработанных алгоритмов и программных комплексов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Эффективная и безопасная отработка обводненных месторождений Подмосковного бассейна невозможна без опережающего электрометрического прогноза нарушений, который должен рассматриваться как необходимый элемент горных технологий. Основные типы геологических нарушений и обводненных зон в надугольном комплексе пород Подмосковного бассейна могут классифицироваться как прорывоопасные зоны по генезису, морфологии, частоте встречаемости, технологическим свойствам и электрометрическим параметрам слагающих пород.
-
Сложные гидрогеологические условия шахт Подмосковного бассейна описываются трехслойной геоэлектрической моделью анизотропного массива надугольных пород, которая может быть упрощена путем её замены на две двухслойные: при расчете модели сверху – со стороны первого-второго и снизу – со стороны третьего-второго слоев.
-
Разработанная математическая модель расчета нормального и аномального электрических полей слоистого массива горных пород отличается использованием вертикальных линейных питающих диполей и приближением приемных электродов к объекту исследования, а также заменой расчетов потенциала U(r) над трехслойной средой расчетами потенциала над двумя двухслойными.
-
Оптимальные схемы размещения питающих (АВ) и приёмных (MN) диполей при реализации метода подземно-полевой электрометрии могут быть получены на основе теории линейных питающих заземлителей с учетом доли стекающего тока в геологическую среду и обоснованием параметров детерминированных аномалий.
-
Эффективность применения электрометрического прогнозирования состояний углевмещающего комплекса пород определяется полнотой извлечения информации из полученных измерений, которая обеспечивается использованием современных вероятностно-статистических методов фильтрации полезного сигнала на фоне помех.
-
Критериями прогноза типов обводненных и необводненных нарушений являются обоснованные в работе значения таких электрометрических параметров, как размеры аномалии, её интенсивность, градиент аномального эффекта с учетом слоистости и трещиноватости углепородного массива, а также величина обратной вероятности обнаружения детерминированной аномалии.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- большим объёмом экспериментальных исследований, проведенных на шахтах Подмосковного бассейна;
- представительным объёмом теоретических исследований, результаты которых не противоречат известным фундаментальным закономерностям электроразведки в углепородных массивах;
- использованием при проведении лабораторных и натурных экспериментов аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками;
- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов нормальных и аномальных полей в массиве с параметрами этих полей, полученными экспериментально (различие соответствующих оценок не превышало 10-12 %);
- высокой вероятностью (достигающей 83 %) безошибочного прогноза прорывоопасных зон в углевмещающем массиве, подтвержденной данными отработки выемочных столбов.
Научная новизна:
- установлены функциональные зависимости формирования и распро странения электрического поля в массиве надугольных пород от совокупности влияющих факторов при проведении его геофизического мониторинга, а также получены уравнения, отражающие связь между основными электрическими параметрами и степенью обводненности и нарушенности горных пород;
- разработана геоэлектрическая модель анизотропного массива
надугольных пород с учетом их многослойности по данным стандартного
каротажа;
- на основе математического моделирования электрических полей с использованием автоматизированной обработки информации и учетом разработанных критериев определены условия и вероятности возникновения прорыва подземных вод в горные выработки;
- установлены закономерности влияния параметров питающих и приемных диполей на электрические характеристики поля в массиве, на основе которых разработан метод электрометрических исследований, включающий предварительный анализ гидрогеологической информации, использование обсадных колонн скважин в качестве питающих электродов, проведение наземных площадных и подземных измерений;
- разработана методика интерпретации электрометрической информации, учитывающая данные анализа широкого диапазона значений горно- и гидрогеологических факторов и обоснования критериев прогнозирования состояния массива;
- разработаны алгоритмы, блок-схемы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие автоматизированную обработку геофизической информации для прогнозирования условий ведения горных работ, что позволяет повысить эффективность отработки участков шахтных полей в различных горно-геологических условиях;
- на основе данных электрометрического прогноза о нарушенности и обводненности углепородного массива обоснованы эффективные и безопасные способы подготовки к отработке угольных пластов.
Научное значение диссертации заключается:
- в разработке подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования состояния углепородного массива;
- установлении закономерностей формирования и распространения электрического поля в обводненных углепородных массивах, имеющих сложное строение;
- обосновании и установлении критериев, позволяющих прогнозировать различные типы нарушенных и обводненных зон в массиве горных пород;
- экспериментальном уточнении влияния различных типов нарушений массива горных пород на регистрируемые параметры электрического поля
с учетом помеховых факторов.
Практическое значение работы заключается в разработке методического, аппаратурного и программного обеспечения для реализации подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования состояния обводненных углепородных массивов Подмосковного бассейна.
Реализации результатов работы. Основные результаты работы использованы в: «Техническом задании на проектирование станции УЭРС», утвержденном ОАО «Росуголь» (г. Москва); «Инструкции на применение комбинированного способа электрической разведки условий обводнености надугольной толщи», утвержденной ОАО «Росуголь»; «Методических рекомендациях по обработке и интерпретации электрометрических данных с помощью ПЭВМ для прогнозирования нарушенных и обводненных зон в над-угольных породах», принятых и утвержденных ОАО «Подмосковный НИУИ» (г. Новомосковск) и ОАО «Тулауголь»; а также частично внедрены в научно-учебный процесс Тульского государственного университета и Новомосковского института Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях (ПНИУИ, 1976-1989 гг.), на отраслевом семинаре по научно-техническим проблемам эффективного осушения строящихся шахт (ПНИУИ, 1980 г.), на Всесоюзной научно-техничес-кой конференции специалистов угольной промышленности (ИГД им. А.А. Скочинского, 1987 г.), на IX Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании (Донецк, УФ ВНИМИ, 1987 г.), на заседаниях технического совета ПНИУИ (1984-1990 гг.), на научных семинарах ННЦ ИГД им. А.А. Скочинского (1985-1988 гг.), на научно-технических конференциях НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (Новомосковск, 1993-2009 гг.), на научно-технических конференциях ТулГУ (Тула, 2005-2009 гг.), на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2006-2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 работы, включая 2 монографии и 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и включает 75 рисунков, 24 таблицы и перечень литературы
из 214 наименований.
Геолого-геофизический анализ угленосных геологических структур
Совершенствование и внедрение прогрессивной технологии подготовительных и очистных работ должны основываться на достоверной информации о горно- и гидрогеологических условиях залегания угольных пластов [1,2,9,214]. Для расширения производства угля необходимо создать технологические процессы, позволяющие в сложных горно-геологических условиях обеспечить рентабельность горных предприятий и безопасность работающего персонала. Это обусловлено тем, что завершается эксплуатация наиболее простых в тектоническом отношении участков месторождений, содержащих пласты значительной мощности, простого строения, и вводятся в отработку угольные отложения, осложненные нарушениями. Таким образом, в условиях комплексной механизации производственных процессов выдвигается проблема создания методов и технических средств прогнозирования нарушенности угольных пластов и угле-вмещающих пород.
Применение на шахтах Подмосковного бассейна разведочного бурения с поверхности по сетке 125x125 м в комплексе с подземным бурением с расположением восставших скважин на расстоянии 30-40 м друг от друга для выявления нарушений и обводненных зон обеспечивает не более 50 % надежности. Эффективность этих методов значительно снижается на шахтах при увеличении глубины залегания угольных пластов до 100-150 м. В последние десятилетия хорошо зарекомендовали себя геофизические методы прогноза горногеологических условий залегания выемочных столбов, основанные на изучении влияния массива горных пород на различные физические поля.
Освоение шахтами бассейнов проектных мощностей и эффективное использование техники во многом зависит от снижения отрицательного влияния нарушенности и обводненности углевмещающего комплекса пород. Несмотря на применяемые мероприятия по осушению [10,17] на шахтах продолжают проявляться внезапные прорывы воды и плывунов в горные выработки. Поэтому прогноз прорывоопасных зон в надугольных породах методами шахтной геофизики не теряет своей актуальности. Под термином прорывоопасных зон следует подразумевать зоны обводненных (или сухих) геологических нарушений, которые являются потенциальными источниками прорывов (или потенциальными «окнами» из обводненных горизонтов в горную выработку). Очевидным является необходимость изучения и проведения анализа геологической природы прорывоопасных зон и методов их геофизического прогнозирования [2,6].
Исследования, проводимые с целью изучения аномальных особенностей строения горного массива, основываются на тщательном анализе тех геологических и физико-технологических характеристик среды и аномальных объектов, которые влияют на параметры физических полей. Результаты такого анализа позволяют построить физическую модель исследуемой реальной структуры оценить аномалиеобразующие факторы, наметить направления теоретических и экспериментальных исследований.
Под геофизическим анализом понимается изучение геотехнологических, литолого-стратиграфических и геофизических особенностей массива горных пород с точки зрения отыскания наиболее типичных характеристик среды, пригодных для конструирования корректной физической модели реальной структуры. При этом ставится задача создания такого физического подобия, при котором достигается в целом адекватность структуры реальных и моделируемых геофизических процессов. Результатом геофизического анализа является построение вначале геоэлектрической, а затем физико-математической модели среды [3,5].
Геофизическая модель представляет собой обобщенную для некоторой области массива совокупность основных геологических и физических характеристик среды. К ним относятся:
1) характеристика слоистости массива с указанием выдержанности слоев по мощности и строению;
2) физическая характеристика слоев;
3) распределение значений плотности отдельных литотипов в разрезе угле-вмещающих пород;
4) локальная обводненность и нарушенность углевмещающих пород.
На основе разработанной геофизической модели среды строится одна или несколько математических моделей, наилучшим образом воспроизводящих структуру реальных физических процессов. При этом математические модели, как правило, имеют более ограниченную пространственную область, а адекватность полей достигается вариацией возможных значений основных геолого-физических параметров среды.
В целом геофизический анализ при проектировании шахтных электрометрических исследований имеет те же черты, что и в полевой электроразведке. Однако, имеются некоторые отличительные особенности, которые обусловлены расположением источников поля и регистрирующей аппаратуры во внутренних точках среды, а также использованием в качестве инструмента исследований локализованных в пространстве электрических полей.
Учитывая чрезвычайное разнообразие геологического строения угле-вмещающей толщи угольных бассейнов, можно получить обобщенный геофизический анализ основных угольных бассейнов с целью разработки физико-математических моделей угленосных отложений и обоснования направлений теоретических исследований в области шахтной электрометрии. Приведенный ниже анализ, разумеется, не исключает необходимости построения детальной геоэлектрической модели разреза угленосных отложений при проектировании шахтных измерений в условиях конкретных месторождений или их участков.
За основополагающий принцип анализа геологического строения угленосных отложений можно принять существующую структурно-генетическую классификацию угольных бассейнов и месторождений, в соответствии с которой различают три основные группы угленосных отложений - геосинклиналь ная, эпигеосинклинальная и платформенная [89,90,171,174]. Немногочисленные месторождения первой группы не охватывают основных угольных провинций страны и в дальнейшем анализе не участвуют.
Эпигеосинклинальная группа (Кузнецкий, Карагандинский, Печорский и Донецкий бассейны) характеризуется большим количеством пластов угля (от десятков до сотен) переслаивающихся песчано-глинистыми отложениями (песчаники, алевролиты, аргиллиты), очень редко, известняками. Преобладают в основном тонкие пласты малой мощности, в отдельных случаях средней мощности и мощные. Для рабочих пластов преобладающие значения мощностей составляют 0,7-3,5 м. Пласты выдержанные, строение изменяется постепенно на больших расстояниях. Разрез продуктивной толщи на больших площадях хорошо выдержан. Повсеместно проявляется региональный метаморфизм с вертикальной, реже горизонтальной зональностями. Марочный состав углей колеблется от Б до А. Месторождения рассматриваемых бассейнов характеризуются широко развитой нарушенностью и разнообразием генетических типов. Кузнецкий, Печорский и Донецкий бассейны в тектоническом отношении объединяются в группу политипных бассейнов, Карагандинский - монотипных [90] (табл. 1.1).
Требования горного производства к методу полевой электроразведки и ее аппаратурному обеспечению
Особенности разработки угольных пластов с трудноуправляемыми кровлями, характеризующимися залеганием труднообрушающихся пород в основной и неустойчивых в непосредственной предопределяют необходимость решения целого комплекса проблем, связанных с обоснованием рациональных параметров технологии подготовки и отработки выемочного участка, выбора высокопроизводительного оборудования, способного к быстрой адаптации при изменении горно-геологических условий. При этом особо важное значение приобретает выбор способов прогнозирования состояния углепородного массива.
Исторически сложилось так, что электроразведка является одним из основных геофизических методов, которые стали широко применяться в России в конце 20-х годов при поисках и разведки месторождений полезных ископаемых. Первые исследования методами электропрофилирования проводились в основном на угольных месторождениях А.А. Петровским, В.Р. Бурсианом, Л.Я. Нестеровым и другими, позднее (в 30-х годах) А.С. Семеновым, в 40-х годах Л.М. Альпин, в 50-х годах И.И. Блохом, в 50-60 годах В.В. Гречухиным для решения поисково-картировочных, инженерно-геологических и гидрогеологических задач [24,28,29,31,33, 79]. В начале 50-х годов электрометрические методы были успешно использованы в Прибалтийском сланцевом бассейне для выявления зон обводненных кастовых нарушений, по результатам которых были разработаны и внедрены новые схемы раскройки шахтных полей [15].
Систематические геофизические исследования в Подмосковном угольном бассейне начала проводиться в ПНИУИ в конце 50-х и в начале 60-х годов с целью повышения эффективности осушительных работ путем выявления нарушенных и обводненных зон в углевмещающих породах и угольном пласте [12,34]. В первые годы исследования носили опытный характер, в дальнейшем -производственный и включали в себя: вначале полевую и подземную электроразведку, а позднее подземную сейсморазведку. При оценке обводненности на-дугольной толщи используются также данные стандартного каротажа в целях получения фильтрационных свойств углевмещающих пород.
Из полевых методов очень широкое применение получил метод электрического профилирования в модификации срединного градиента, проводимый сначала с серийной аппаратурой ИКС-50, а затем с аппаратурой УЭРС (универсальная электроразведочная станция), разработанной в 1978 году в ПНИУИ.
Тридцатилетний опыт проведения с участием автора геофизических работ по обнаружению нарушенных и обводненных зон в углевмещающих породах выемочных столбов шахт (Н.У. Савенков, Л.Л.Азаров, В.Ф. Матюшечкин и др.) показал, что применение одного метода или модификации недостаточно для обеспечения достоверного прогноза. Для прогнозирования горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений Мосбасса применяются в подземном варианте электроразведка и сейсморазведка. Электроразведка является ведущим геофизическим методом для решения практически всех основных гидрогеологических задач, связанных с выяснением условий обводненности шахт. Метод электрометрического прогнозирования горно-геологических условий залегания углевмещающих пород в различных модификациях применяется в настоящее время во всех крупных угольных бассейнах страны. Выбор этого метода обусловлен:
- наличием аппаратуры, позволяющей их применение на шахтах;
- высокими технико-экономическими показателями;
- положительными результатами применения их на шахтах.
Поскольку обводнённые зоны в углевмещающих породах и геологические нарушения угольного пласта уже при поперечных размерах в 10 м представляют опасность при ведении горных работ, то и сеть наблюдения должна быть 10x10 м, т.е. зоны площадью около 100 м2 должна отмечаться не менее чем 2-3 точками геофизических наблюдений [28]. При сетке наблюдений 10x10 м и поперечных размерах аномалеобра-зующих зон около 10 м и более, приёмный диполь (MN) принимается 5-10 м. С другой стороны, чем меньше MN, тем условия необходимости подавления промышленных и естественных электрических помех лучше. Для дальнейших расчетов принимается MN = 10 м.
В электроразведке за исходную формулу принимается где рк - кажущееся удельное сопротивление; понятие «кажущееся» вводится потому, что в реальных условиях показатель рк отражает многофакторность, как в самом массиве, так и в способах измерения; К - геометрический коэффициент, учитывающий размеры и расположение питающего (АВ) и приёмного (MN) диполей на местности, размерность в метрах. где 2% = 6,28; гАМ - соответствующее кратчайшее расстояние между питающим (А) и приёмным (М) электродами, в метрах; AUMN - разность потенциалов между электродами MN, обычно измеряется в мВ; 1АВ - сила тока в цепи АВ, обычно измеряется в амперах [93].
При расчёте рк размерности AU и Ідд приводятся в соответствие, т.е. вольты-амперы. Следовательно рк характеризуется размерностью Ом-м. Численная величина AUMN определяется следующей зависимостью где j0 — плотность тока на участке MN, А/м2; р{ - кажущееся удельное электрическое сопротивление массива на участке MN-h, где h - глубина максимального расхода электрического тока (до 70 %) [97,98]; 1 , - длина приёмного диполя, м. В табл. 3.1 приведены формулы и численные значения j0 и jh при соответствующих геоэлектрических условиях, где pi - удельное электрическое сопротивление первого (ближайшего к наблюдателю) геоэлектрического слоя, P2 - второго слоя. Откуда видно, что присутствие в разрезе высокоомного слоя (р2 рі в 5 раз) обуславливает более высокие значения AUMN при прочих равных условиях.
Обоснование технологий ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях с учетом полевого электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна
Повышение достоверности прогнозирования горно-геологических условий выемочных участков является необходимым не только для обеспечения эффективной работы горных предприятий, но и для значительного повышения геоэкологической нагрузки на окружающую среду.
Промышленная проверка способа полевого электроразведочного прогноза горно-геологических условий выемочных столбов, была начата на шахтах Подмосковного угольного бассейна в 1977 году с использованием универсальной электроразведочной станции УЭРС. Главная цель способа полевого электроразведочного прогноза была связана с перспективным прогнозированием состояния и динамики изменения горно-геологических условий, как еще до вскрытия участка выемочными штреками, так и по площади оконтуренного выемочного столба.
Поставленные задачи решались по следующим направлениям:
- оценка геотехнологической эффективности полевой электроразведки по рабочему току Ідв ДО 20 А, напряжению до 600 В, разносу питающего диполя от 400 до 2200 м, сетке наблюдений 10x10 м;
- обработка данных полевых наблюдений и составление по ним заключений рационального ведения горных работ.
Настоящий раздел посвящен анализу и обобщению полученных результатов полевой электроразведки на шахтах бассейна. [137,138,139 и др.] Тщательно были рассмотрены горно-геологические ситуации, при которых произошли прорывы вод в горные выработки. Особое внимание обращалось на геофизический смысл аномалий электрического поля, связывающей геологические и горно-технологические критерии.
Например, полевые исследовательские работы были выполнены на шахтах «Владимировская» и «Подмосковная» ОАО «Тулауголь». На рис.5.1 показаны результаты электроразведочного прогнозирования горно-геологических условий участков выемочных столбов № 2 и № 4 северных шахты «Владимировская», сопоставленные с графиками гипсометрии по выемочным штрекам бис л , северному, 4 северному и 6 северному.
Прогноз указывал на обводнённость выемочного столба № 4 северного между пикетами 60-80. Скважина восстающая на ПК 63 работала с дебитом до 8 м /час. В зоне между пикетами 72-74 обнаружена выклинка угольного пласта. Оконтуровочная камера была заложена на ПК 69. За период работы лавы незначительные осложнения были связаны с пересечением карстового нарушения размером в поперечнике до 5 м. Осложнений из-за воды и других нарушений лава не испытывала.
Выемочный столб лавы № 2 северной оценивался достаточно осушенным между пикетами 25-79. Месячный темп подвигания очистного забоя составлял от 45 до 62 м. Выявленная зона, где ожидались осложнения из-за резкого изменения гипсометрии и повышенной обводнённости между пикетами 21-18, подтвердилась. На этом участке темп подвигания очистного забоя снизился в три раза по сравнению со средним месячным темпом подвигания в целом по столбу.
Осушение надугольных пород на данном участке выполнено в полном объеме бурением восстающих скважин. Ожидаемая зона "сухих" пород подтвердилась выходом воронки обрушения на дневной поверхности. По данным инженерной службы шахты на участке № 2 и № 4 северных лав данные электроразведочного прогноза подтвердились.
На рис.5.2 приведены выборочные графики полевой электроразведки, которые были получены по профилям, совпадающим с проектными осевыми линиями штреков № 18, 20, 22, 24, 26 ш.«Подмосковная».
К началу проведения электроразведочных работ штрек № 20 северный был остановлен на ПК 18 из-за наличия непроходимого геологического нарушения. Как показано на графике кажущихся сопротивлений рк названная зона достаточно четко фиксируется между пикетами 16-18 с центром на ПК 17. Аномальная зона развивается в сторону штрека № 22, т.е. имеет размеры в пределах 17-19 м в поперечине. На остальных графиках рк по штрекам № 20, 22, 24, 26 аналогичных аномалий выделить нельзя. Штреки № 20 и № 22 были пройдены без осложнений. При проходке главного штрека в районе сопряжения с 24 северным штреком произошел прорыв воды из кровли с выносом песка.
На графиках рк по профилям ПР XLII, ПР XLIII, ПР XLIV можно выделить аномалию между пикетами +2 и -3, которая начинается на сопряжении 24 северного штрека с главным конвейерным штреком и развивается в сторону главного вентиляционного штрека, но не захватывает вентиляционный штрек. По скважинами № 6716 и № 7572, расположенным за пределами аномалии, отмечалось нормальное состояние угленосного массива. Дополнительно пробуренные скважины в зоне аномалии вскрыли ожелезненные песчаники на уровне залегания угольного пласта, т.е. подтверждались признаки наличия карстового нарушения.
С учетом данных геофизики и дополнительно пробуренных скважин было рекомендовано пройти главный конвейерный штрек в зоне прорыва воды со стороны штрека 26 северного.
На рис.5.3 показаны результаты исследования и прогнозирования условий для участка выемочного столба лавы № 11 северная шахты «Подмосковная». Особенности проведения полевых электроразведочных работ являлось то, что они выполнялись в связи с прорывом воды в лаву на сопряжения с 13 конвейерным штреком. В районе участка до момента проведения полевых геофизических работ были дополнительно пробурены скважины №№ 5115, 5119, 5219, 535, 373, 5, 5083, 5055, 5027 и др. Однако, только скважина № 4929 работала на тульский горизонт с дебитом около 10 м3/час. Остальные скважины оказались сухими.
Результаты внедрения подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования прорывоопасных зон на шахтах Подмосковного бассейна
Геофизические исследования проводились в период между окончанием проходки горных выработок, оконтуривающих выемочный столбов, и пуском лавы в эксплуатацию. В общей сложности этот период обычно длится 2-3 мес. Длительность геофизической съемки составляет 2-3 недели на один выемочный столб длиной 1000 м и шириной 100 м и около двух недель необходимо на интерпретацию и выдачу конкретных рекомендаций геологам шахт по осушению: бурение наклонных восстающих скважин на тульский горизонт из горной выработки или с поверхности выемочного столба бурение водопонижающих скважин на окский горизонт. Оставшегося времени до пуска лавы вполне достаточно для выбора схем осушения рационального размещения в штреках дренажных устройств и полной подготовки лавы к эксплуатации.
По данным натурных исследований (разд.5) применение метода электрометрического прогнозирования позволяет повысить эффективность ведения горно-добычных работ в условиях высокой нарушенности и обводненности шахтных полей за счет получения надежной информации о параметрах геологических нарушений и обводненных зон.
На шахтах бассейна были проведены электрометрические исследования методом НСЭМ и ПСЭМ на 22 выемочных столбах шахт бассейна с общим числом физических точек измерений 17380 (табл.6.3). Согласно данным табл.6.3 по результатам опытно-промышленного внедрения методики интерпретации электрометрических данных, было выявлено 54 прогнозных аномальных зон; из них 28 нарушений типа карстовых и эрозионных, 9 - трещиноватых зон и 17 - мульдообразных понижений и литифицированных пород, также способствующих прорывам воды в горные выработки. Однако подтверждение бурением и проходкой получили только 45 аномальных зон. Из девяти неподтвержденных ложными аномалиями оказались 4 и пропущенными 5.
Перечисленные данные внедрения дают возможность по аналогии с работами [87,88] получить параметр надежности метода электрометрии, степень его безотказности в решении задачи исследований: выявления прорывоопасных зон в надугольном комплексе пород. В связи с наличием ложных и пропущенных прорывоопасных зон следует различать два типа надежности. Первый тип - надежность выявления реально существующих прорывоопасных зон определяются по формуле: п„ где пв - число выявленных прорывоопасных зон; Пф - число фактически существующих прорывоопасных зон, установленное бурением или отработкой.
Второй тип - надежность метода в отношении отсутствия ложных прогнозов определяется по формуле:
Итак, используя вышеприведенные выражения и результаты прогноза, получаются следующие вероятностно-статические показатели внедрения методики интерпретации данных электрометрии (табл.6.4).
Количество и качество полученных в 6.4 данных электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон позволяет обосновать ряд критериев, по которым с достаточной уверенностью можно судить не только о наличии или отсутствии того или иного геологического нарушения, но и оценить степень его прорывоопасности.
Вид геофизических аномалий на графиках определяется особенностями влияния геологических неоднородностей на структуру электрического поля. В частности, интересующие нас геологические нарушения повышенной влажности проявляются на графиках отрицательной аномалией, а пониженной влажности («сухие») - положительной. Иными словами, влажность (водонасыщен-ность) горных пород определяет вид аномалии. При этом форма аномалий может бать различной: узкой, широкой, глубокой, пологой. Они обычно связаны как с генетическим происхождением геологической неоднородности (карст, тектоническое нарушение, размывы, мульды), так и с их размерами.
Аномалию может вызвать не любое различие в сопротивлениях горизонтов (геоэлектрическое расхождение). Для ее фиксирования на графиках необходимо иметь такое различие в сопротивлениях, которое позволяет получать отклонение величиной, превосходящей не менее чем в 4 раза допускаемую ошибку измерений (Р). В противном случае выявление аномалии весьма затруднительно. Величину аномалии (А) можно численно оценить с помощью амплитуды аномалии, то есть по величине отклонения (AUMax) кривой AU от нормального фона(Динф ):
В качестве меры количественной оценки геоэлектрических разрезов следует применять отношение сопротивлений пород исследуемых слоев, составляющих изучаемый разрез, то есть необходимо брать относительную разницу в сопротивлениях. Абсолютная разница в сопротивлениях не является показателем геоэлектрического расхождения. Это положение вытекает из теории электрического поля [28,69,72,73 и др.]. Согласно этой теории аномалии в неоднородной среде пропорциональны коэффициентам отражения (Ki2) и пропускания (1-Кі2). Последние в свою очередь пропорциональны отношениям сопротивлений сред, находящихся по обе стороны от границы раздела. Поскольку геоэлектрические разрезы количественно оцениваются отношением сопротивлений, то и интенсивность аномалий (д.) должна определяться относительными величинами. Существует множество способов определения интенсивности, однако рациональным следует применять формулу А.Г. Тархова: где AUmax,AUmin - соответственно максимальные и минимальные значения разности потенциалов, принадлежащих данной аномалии.
Важным показателей является ширина аномальной зоны, которая зависит от координат экспериментальных (краевых) значений и равна где Xi и х2 - координаты экстремальных точек аномалии вдоль профиля наблюдений, м.
По данным работ [39,80,81] градиент аномального эффекта показывает изменение интенсивности аномалии на единицу ее длины по профилю и определяется по формуле:
Для повышения информативности, а следовательно, надежности и эффективности электрометрического метода предлагается использовать вышеприведенные критерии, которые отвечают на вопрос физической природы аномалии.
Применение критериев прогноза предполагает априорное знание физической природы поля, анализ изменения параметров которого лежит в основе разработанных критериев. Поэтому проведено математического моделирование задач электрометрии. В последнее время надежность и эффективность прогноза осложняются в связи с большими затруднениями процесса геологической интерпретации. Влияние конкретного геологического нарушения на параметры электрического поля не локализовано в пределах одного слоя, а захватывает окружающие вмещающие породы, то есть сложное строение нарушения может привести к неправильной геологической интерпретации. По результатам математического моделирования и данных опытно-промышленной проверки электрометрического прогнозирования прорывоопасных зон были получены следующие электрометрические критерии для параметров поля Дипов,Диш,Лиоб (табл. 6.5).
