Введение к работе
Актуальность работы. Разработка угольных месторождений связана с изменением горного давления, перераспределением напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород и, как следствие, образованием зон концентраций механических напряжений. Негативное влияние образовавшихся зон концентраций механических напряжений заключается в оседании и обрушении кровли, разрушении сопряжений выработок, разрушении охранных целиков, защемлении и разрушении крепи, возникновении горных ударов и других форм динамического проявления горного давления.
Основные существующие методы контроля и прогнозирования напряженно-деформируемого состояния горного массива можно разделить на две основные группы: геомеханические и геофизические, каждая из которых обладает своими особенностями.
К геофизическим методам относятся методы электрометрии, акустические методы, сейсмические методы, методы электромагнитного излучения. Наиболее простым в использовании является вариант электрометрического метода, основанный на измерении потенциала (в дальнейшем вместо выражения «разность потенциалов» будем использовать термин «потенциал», если разность потенциалов определяется между точками, разнесенными на достаточно большое расстояние, чтобы считать его сравнимым с бесконечностью) и напряженности естественного электрического поля (ЕЭП) Земли. Анализ литературы показывает, что подавляющая часть научных разработок посвящена измерению и последующему анализу потенциала и напряженности ЕЭП непосредственно в подготовительных или очистных выработках, что обусловлено большей величиной и интенсивностью электрических полей в них. Однако, как непосредственные измерения, так и последующий их теоретический анализ, сопряжены с достаточно большими трудностями технологического характера: производство очистных работ вблизи точки измерения параметров электрического поля; наличие существенных электрических помех, обусловленных наличием добычных электрифицированных комплексов. Альтернативное направление, предложенное впервые проф., д.т.н. Б. Г. Тарасовым, заключается в исследовании параметров распределения электрического поля на земной поверхности и установлении взаимосвязей между этими параметрами и НДС массива горных пород.
Таким образом, возникает необходимость в совершенствовании геоэлектрического метода определения параметров зон концентрации механических напряжений и разрушения в разрабатываемых угольных пластах по измерениям ЕЭП с земной поверхности.
Работа выполнялась в рамках НИР № 107-ОПН-06П по заказу Агентства по энергетике Минпромэнерго РФ в 2006 - 2007 годах.
Объектом исследования является очаговая зона концентраций механических напряжений в угольных пластах.
Предметом исследования являются основные параметры естественного геоэлектрического поля, обусловленного указанной очаговой зоной.
Цель работы заключается в совершенствовании геоэлектрического метода прогноза зон концентрации напряжений и разрушения угольных пластов по измерениям геоэлектрического поля на земной поверхности, обеспечивающего максимальное использование геофизической информации для определения основных параметров очаговой зоны.
Задачи исследования:
выявить закономерности распределения электрического поля, порожденного очаговой зоной концентрации механических напряжений и разрушения, расположенной в слоистой среде с плоскопараллельными границами, на основе решения прямой задачи геоэлектрики;
исследовать эффект экранирования геоэлектрического поля на земной поверхности, обусловленный существованием приповерхностного увлажненного слоя наносов и горных пород;
совершенствовать геоэлектрический метод прогноза зон концентрации механических напряжений и разрушения угольных пластов по измерениям поля на земной поверхности в направлении максимального использования геофизической информации для количественного определения глубины залегания очага, его пространственных размеров, местоположения эпицентра на земной поверхности и градиента механических напряжений в очаговой зоне.
Идея работы заключается в установлении закономерностей распределения ЕЭП и их применении для определения параметров очаговой зоны концентрации напряжений и разрушения, а также количественной оценки механических напряжений в очаге на первых стадиях его формирования.
Методы исследований:
методы теоретической геофизики, численные методы, методы теории аппроксимаций - для моделирования на ЭВМ распределения потенциала электрического поля, порожденного равномерно заряженным телом, расположенным в трехслойном изотропном однородном пространстве с плоскопараллельными границами.
методы теоретической геофизики - для количественной оценки степени влияния экранирующего слоя на величину геоэлектрического ПОЛЯ.
метод наименьших квадратов - для получения функциональных зависимостей, связывающих прогнозируемые параметры зон концентрации механических напряжений и разрушения угольных массивов и измеренный потенциал геоэлектрического поля на земной поверхности.
Научные положения, выносимые на защиту:
глубина залегания очаговой зоны разрушения линейно связана с расстоянием между максимумами напряженности электрического поля над очагом разрушения, а расстояние между максимумами напряженности и потенциала связано с максимальным продольным размером очаговой зоны параболической зависимостью;
экранный эффект приповерхностного увлажненного слоя наносов и горных пород заключается в том, что если удельное электросопротивление указанного слоя более чем в 10 раз меньше удельного электросопротивления нижележащих слоев, то для очага разрушения расположенного на расстоянии
от 50 до 500 метров от нижней границы экранирующего слоя, коэффициент экранирования принимает значения от Ksh = 0,4 до Ksh = 0,85 в эпицентре очага разрушения и значения от Ksh = 0,8 до Ksh = 0,9 вне эпицентра;
- геоэлектрический метод прогноза зон концентраций напряжений и
разрушения угольных пластов по измерениям поля на земной поверхности
состоит из обнаружения области максимальной концентраций изолиний по
тенциалов на единицу площади, определения величин потенциалов, напря
женности, расстояния между экстремумами напряженности в заданной обла
сти и определения основных параметров очаговой зоны.
Научная новизна работы заключается:
в обнаружении и исследовании свойств трех геометрических характеристик электрического поля: расстояния между точками экстремума напряженности ЭП; расстояния между точками экстремума напряженности и потенциала ЭП; отношения потенциала ЭП к его напряженности в выбранной точке;
в исследовании эффекта экранирования электрического поля от объемных источников, обусловленного увлажненным слоем наносов и горных пород. Показана зависимость эффекта экранирования от угла наклона очага, от расстояния между очагом и экранирующим слоем;
в получении инженерных формул, позволяющих определять параметры очаговой зоны концентрации механических напряжений в разрабатываемых угольных пластах;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- теоретическими исследованиями, базирующимися на апробированных
методах электродинамики, теоретической геофизики, теории дифференци
альных уравнений, механики деформируемого твердого тела; известных за
кономерностях распределения электрических полей в неоднородных средах;
хорошей сходимостью с результатами исследований, проведенных другими исследователями;
удовлетворительной сходимостью результатов, полученных с помощью численного моделирования, и результатов, установленных другими авторами в ходе натурных экспериментов.
Личный вклад автора заключается:
в установлении закономерностей распределения потенциала ЕЭП на земной поверхности над зоной концентраций механических напряжений;
в исследовании эффекта экранирования ЕЭП верхним увлажненным слоем наносов и горных пород;
в установлении трех геометрических характеристик ЭП участка Земли над объемным источником тока;
в обнаружении функциональных зависимостей между установленными геометрическими характеристиками и параметрами очага разрушения;
в разработке методов обработки геофизической информации.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей распределения потенциала электрического поля на земной поверхности над зоной концентраций механических напряжений.
Практическое значение работы заключается в разработке метода обработки геофизической информации, позволяющего определять глубину залегания и пространственные размеры очаговой зоны концентрации механических напряжений и разрушения в разрабатываемых угольных пластах.
Реализация результатов исследования. Алгоритмы расчета реализованы в комплексе компьютерных программ по определению основных параметров очаговой зоны концентраций механических напряжений. Результаты работы включены в «Руководство по определению сейсмоопасных геодинамических процессов на шахтах и разрезах Кузбасса», (Кемерово, 2008 г).
Апробация работы. Основные положения и выводы работы в период ее выполнения докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2007 г.), VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых районах» (Кемерово, 2007 г.), научно-практических конференциях для студентов и аспирантов (Кемерово, 2007, 2008 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ по специальности 25.00.16 «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 151 наименования.
Похожие диссертации на Совершенствование геоэлектрического метода прогноза зон концентрации напряжений и разрушения угольных пластов по измерениям поля на земной поверхности
