Введение к работе
Актуальность работы. Разрабатываемые в настоящее время угольные пласты шахт Кузбасса характеризуются высокой газодинамической активностью. В настоящее время разрабатываются 52 опасных и 118 угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа шахтопластов. В условиях потенциальной или фактической выбросоопасности ведут горные работы половина шахт Кузбасса На шахтах бассейна, начиная с 1943 г., зарегистрировано 190 внезапных выбросов угля и газа. Учитывая, что каждый внезапный выброс, даже небольшой по мощности, может привести к катастрофическим последствиям, проблема борьбы с этими явлениями - одна го важнейших в области безопасности угольных шахт.
К настоящелгу времени разработан комплекс мер по предупреждению внезапных выбросов угля и газа при ведении горных работ. Но наиболее слабым местом в этом комплексе мер является прогнозирование выбросоопасных участков пластов в выемочных столбах впереди очистных забоев.
Регламентированный нормативными документами прогноз выбросоопасности в очистных забоях по результатам текущего прогноза при проведении оконтуривающих выемочный столб выработок не позволял определять границы зон вне контура этих выработок К толгу же внедряемое активно применение ограждающей дегазации при проходке выработок влияет на результаты текущего прогноза по которым уже нельзя судить о потенциальной выбросоопасности зон пластов. На шахтах Донбасса в очистных выработках должен выполняться прогноз выбросоопасности с помощью контрольных шпуров, которые должны буриться через каждые 10 м по длине забоя и в каждом из которых на интервалах 1,0-1,5; 2,0-2,5; 3,0-3,5 м должны производиться измерения начальной скорости газовыделения после осуществления их герметизации. Это делает прогноз выбросоопасности тормозом, недопустимым при ведении добычных работ на современных рентабельных шахтах.
Кроме того, прогноз данным методом позволяет судить лишь о выбросоопасности пласта в окрестности забоя выработки, что не даёт возможности применить предварительную региональную противовыбросную обработку выбросоопасных зон пласта и вынуждает использовать локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа, приводящие к простоям забоя.
Тот же недостаток присущ и применяемым в Донбассе сейсмоакустическим методам.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИИ 1994-1999 гг., являвшимися составными частями отраслевого плана научных исследований Минуглепрома СССР, а в дальнейшем - отраслевой научно-технической программы "Уголь России". В рамках этих программ автор принимал участие в выполнении 4 работ в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.
Целью настоящей работы является разработка геофизического метода установления потенциально выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов шахт Кузбасса.
Идея работы состоит в использовании экспериментально установленных отличительных особенностей физических свойств сформированных при сдвиговых деформациях зон углепородного массива с высокой газодинамической активностью для разработки критериев и метода установления потенциально выбросоопасных участков пластов.
Задачи исследований:
проанализировать условия образования и сформулировать геолого-физическую модель выбросоопасных зон, приемлемую для их выявления геофизическими методами;
разработать методику и пакет программ обработки данных сейсмо- и электроразведки с целью выявления зон тектонических нарушений угольных пластов;
исследовать связь геофизических параметров с газодинамической активностью угольных пластов;
разработать метод установления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов на основе геофизических измерений.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы экспериментальные методы исследований в шахтных условиях с применением современной измерительной аппаратуры и ЭВМ, а также аналитический метод, включающий в себя научное обобщение и анализ шахтных геофизических исследований, проведенных в Кузбассе за период с 1976 по 1999 годы.
Объектами исследований являются выемочные поля на шахтах, разрабатывающих опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа угольные пласты.
Научные положения, представленные к защите:
комплексом шахтных геофизических методов сейсморазведки и электроразведки с высокой степенью надёжности выявляются потенциально выбросоопасные зоны тектонических нарушений в выемочных полях;
потенциально выбросоопасные зоны тектонических нарушений в выемочных столбах характеризуются резким изменением физических параметров - электросопротивления, скоростей углепородных и каналовых волн, участков поглощения энергии;
потенциально выбросоопасными являются зоны пластов, в пределах которых отмечаются аномалии с пониженными более чем в два раза значениями электросопротивлений (разности потенциалов) в дипольных методах шахтной электроразведки и пониженными значениями скоростей каналовых волн не менее чем на 20 % и углепородных волн не менее чем на 10 % по сравнению со средними значениями по вселгу выемочному столбу, и зоны пластов, в пределах которых отмечаются изменения коэффициента затухания для каналовых волн, полученного из разложения, предложенного Прони, не менее чем в три раза по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу;
наиболее опасными при отработке угольных пластов являются границы аномальных зон, характеризующиеся резким скачком физических свойств угля и вмещающих пород.
Научная новизна работы:
сформулирована геолого-физическая модель зоны угольного пласта, опасной по газодинамическим явлениям;
доказана возможность использования разложения и фильтраций по методу Прони для данных шахтной сейсморазведки для получения более узкополосных временных разрезов, позволяющих точнее определить положение участков с высоким поглощением энергии и соответственно точнее устанавливать границы потенциально выбросоопасных зон;
установлены информативные критерии выявления потенциально выбросоопасных зон по значениям электросопротивлений (разности потенциалов),
значениям скоростей каналовых волн по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу;
- впервые в Кузбассе использованы методы томографии в шахтной
электроразведке.
Достоверность научных положений подтверждается:
применением аналитического и экспериментального методов исследований, включающих научный анализ, обобщение и объяснение;
представительным объёмом экспериментальных наблюдений (более 200 выемочных столбов, в которых проведены шахтные геофизические исследования);
соответствием полученных критериев оценки выбросоопасности фактической опасности зон пластов;
положительными результатами промышленной проверки и внедрения метода выявления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов.
Практическая значимость работы заключается в разработке метода выявления потенциально выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов в пределах подготовленных к выемке запасов по результатам шахтной сейсморазведки и электроразведки. Важными для практики результатами являются повышение достоверности прогноза по сравнению с ранее применявшимися методами, а также исключение простоев очистных забоев при выполнении прогноза.
Реализация работы. С использованием научных результатов и практических рекомендаций, полученных в процессе диссертационных исследований, разработано три действующих отраслевых и региональных нормативно-методических документа. Методы, способы, технологические схемы и критерии, регламентированные указанными нормативно-методическими документами, прошли промышленные испытания и внедрены на угольных шахтах Кузбасса. Их применение позволяет повысить безопасность горных работ ниже критической выбросоопасной глубины разработки, сделать более технологичными меры по прогнозу и предупреждению газодинамических явлений и получить значительный экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ВостНИИ
(1994-2000), научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1994), научно-технической конференции "Субъекты Российской Федерации в условиях реформ"(Томск, 1994), II Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1998).
Публикации. Результаты диссертационных исследований содержатся в 10 опубликованных работах, включая три отраслевых и региональных нормативно-методических документа, статьи, тезисы докладов.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 140 страницах, содержит 32 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 110 источников и 2 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы докт.техн.наук Зыкову B.C. за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов, а также своим коллегам по работе (канд.техн.наук Рудакову В.А.; канд.техн.наук Славолюбову В.В. ннж. Крючкову В.И., геофизикам Гриценко С.А., Ларкину Г.В.), оказавшим помощь в проведении экспериментальных исследований, проверке, развитии и реализации научных разработок, выполненных в процессе подготовки диссертации.
