автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-геологические и геотехнические основы подземной угольной геофизики

/} - ' ,: Н >'

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ЯКОВЛЕВ Дмитрий Владимирович

УДК 550.83:622.33

ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОДЗЕМНОЙ УГОЛЬНОЙ ГЕОФИЗИКИ

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Официальные оппоненты: докт. геол.-мин. наук, проф. ХМЕЛЕВСКОЙ В. К.., докт. техн. наук, проф. БУКРИНОКИЙ В. А., докт. техн. наук ВАТОЛИН.Е. С.

Ведущая организация — Институт проблем комплексного освоения недр.

Защита диссертации состоится « » г.

в /у. час. на заседании специализированного совета Д-053.12.06 при Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « ^. » . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. паук, проф. НОВИК Г. Я-

37ТТ71Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для обеспечения оперативного прогноза горно-геологических условий разработки угольных пластов на стадии эксплуатации интенсивно развиваются методы шахтной геофизики, среди которых доминирующее положение занимают методы пластовой сейсмо- и электроразведки. Накопленный опыт шахтных наблюдений, созданная аппа-ратурно-методическая база, результаты теоретических и модельных исследований убедительно свидетельствуют, что дальнейшее развитие шахтной геофизики в рамках адаптации достижений разведочной геофизики (полевой и скважинной) к условиям подземных измерений имеет тупиковую перспективу. Б первую очередь это объясняется спецификой задач шахтной геофизики, которые больше соответствуют геоконтролю (мониторингу) в дискретном и. непрерывном режимах, что является следствием многофакторной динам<ики процессов и явлений различной природы, происходящих в геотехническом пространстве. Кроме того, доминирующая аналитическая школа постановки и решения задач, рассматривающая явления и .процессы в обособленности, вне существующих связей, бесперспективна при исследовании гетерогенных термодинамических систем, к которым относятся геологические тела. Наконец, развитию шахтных геофизических исследований препятствует отсутствие системного подхода к построению геотехнического комплекса в целом, в котором геолого-геофизические методы выполняют функцию контрольных каналов наблюдения; в результате—слабая совместимость разработанных геофизических методов с технологическими, процессами на шахтах.

Б этих условиях создание физических и геотехнических основ проектирования комплексных систем прогноза и контроля строения, свойств и состояния массива горных пород является актуальной проблемой горного производства и вносит вклад в развитие нового направления нелинейной динамической геофизики.

Целью работы является разработка физико-геологических основ эксплуатационного геоконтроля с позиций системологии

явлений и процессов, а также динамики физических, геологических и геофизических полей.

Идея работы заключается в широком использовании методов системного анализа для разработки петрофизических, физико-геологических и физико-технологичеоких моделей, позволяющих реализовать целостное представление геотехнического комплекса, повысить эффективность геоконтроля и определять перспективы его развития.

Методы и объекты исследования. Исследования выполнялись с использованием методов системного анализа, теории автоматического регулирования (Ляпунова), математической статистики, математического и физического моделирования. Объектами исследований явились угленосные отложения Кузнецкого, Печорского, Карагандинского, Донецкого, Подмосковного и Днепровского бассейнов, на которых был получен обширный экспериментальный материал шахтных и скважин-ных наблюдений.

Основные научные положения

1. Массив горных пород, представляющий собой гетерогенную термодинамическую суперсистему, адекватно описывается тремя фундаментальными структурированными ,подсистемами — СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ и СОСТОЯНИЕ, которые с позиций геофизических исследований характеризуются отношениями групп переменных, связанных с описанием физических, геологических и геофизических полей.

2. Понятие геотехнического комплекса представлено в виде направленной метасистемы структурированных подсистем физико-геологичеокой и физико-технологической моделей, где роль каналов .наблюдений выполняют геолого-геофизические ,и технологические методы контроля. Направленная метасистема адекватно описывает геотехнический комплекс.

3. Физические свойства горных пород представляют иерархическую динамическую систему, включающую доинверсион-ную, постинверсионную и техногенную фазы, что предопределяет иерархичность петрофизических и физико-геологических ■моделей среды. При этом ритмы динамики физических свойств интегрально определяются экзогенными, эндогенными и техногенными факторами.

4. Основными типами структурно-вещественных комплексов, представляющих собой физико-математическую абстракцию петрофизических моделей, являются пласт-волновод в .квазнодно'родной среде и мелкослоистая (однородная, но анизотропная) среда. Динамика физико-геологических моделей определяется изменчивостью во времени и пространстве физических свойств среды и зависимостью вида структурно-вещественного комплекса от частоты зондирующих полей.

5. Многосвязность и динамика физических процессов, происходящих в массиве горных пород, предопределяют использование в качестве основного принцип системного компьютерного моделирования слабокоррелируемых переменных на базе статистических моделей Маркова.

6. Методологической основой создания систем геоконтроля на горных предприятиях является дискретно-непрерывный мониторинг, учитывающий динамику .и нелинейность свойств массива горных пород в эноргоактивных областях.

Обоснованность и достоверность научных положений определяются исходными предпосылками работы, основаниями которых являются фундаментальные физические законы .и принципы физики горных пород и процессов, современные представления о массиве горных пород, ка.к сложной, динамической нелинейной системе; корректным применением методов системного анализа Клира, математического и физического моделирования, математической статистики Маркова, теории автоматического регулирования Ляпунова.

Научная новизна работы

1. Впервые разработаны аксиоматика и принципы системных представлений массива горных пород на базе фундаментальных функций.

2. Разработана системология понятий физико-геологической и физико-технологической моделей, совокупно определяющих направленную метасистему геотехнического комплекса.

3. Определена и научно классифицирована система факторов формирования и эволюции физических свойств массива горных пород и выявлена их иерархичность. Определены закономерности изменения свойств пород, составляющих элементарный седиментационный циклит в символических полях тектонической нарушенное™ и в функции современной глубины залегания.

4. Установлен механизм физико-химических процессов эволюции физических свойств углевмещающих пород при техногенном воздействии.

5. Разработаны новые принципы физико-геологического моделирования, основанные на иерархии петрофнзичсских и физико-геологических моделей (ФГМ), выделении нормальных и аномальных ФГМ.

6. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что основными типами структурно-вещественных комплексов для электромагнитных и сейсмоакустических полей являются волноводные и мелкослоистые структуры. Определена область, существенная для формирования волновых полей.

7. Разработаны принципы геолого-геофизического комплек-сирования и научная методология построения автоматизированных систем геоконтроля.

Научное значение работы состоит в разработке физико-геологических и геотехнических основ системного изучения массива горных пород на базе динамических моделей.

Практическая ценность работы заключается в:

определении основных задач эксплуатационного геоконтроля путем выделения природных компонентов факторов добычи;

разработке технологии комплексного геолого-геофизического изучения массива горных пород;

разработке методологии создания систем геомониторинга свойств, строения и состояния массива горных пород;

оценке разрешающей способности и дальности методов электро- и сейсморазведки и разработке элементов методик шахтных наблюдений.

Внедрение результатов исследований. Разработанные физико-геологические и геотехнические основы подземной угольной геофизики и элементы методик шахтных наблюдений использованы:

.в нормативном документе «¡Временные методические указания по технологии комплексной оценки геолого-геофизическими методами горно-геологических условий отработки угольных пластов в пределах выемочного столба» (внедрен на шахтах Донецкого и Днепропетровского бассейнов и в УкрНИМИ);

•при разработке шахтной радиоволновой и сейсморазведоч-ной аппаратуры (внедрено в МакНИИ, УкрНИМИ, ДонФТИ АН Украины);

¡при разработке автоматизированной системы контроля ■строения, свойств и состояния массива горных пород (внедрено в ИГД им. А. А. Скочинского).

Годовой экономический эффект от внедрения методических разработок по диссертации составил 845,9 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Всесоюзных научных конференциях вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов то физическим процессам горного производства (Москва, .1977, 1991); Всесоюзной конференции «Состоянии и пути повышения эффективности геофизических работ в Сибири и на Дальнем Востоке» (1980); Всесоюзной угольной конференции (Ростов-на-Дону, 1981); семинарах по инженерной и горной геофизике (Пасанаури, 1981, Сухуми, 1983); 29 Международном геофизическом симпозиуме (Варна, 1984); XXVII Международном геологическом конгрессе (Москва, 1984); XVII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988); VII Всесоюзной научной школе АН СССР «Де-

формирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 1990); VIII Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах (Уфа, 1990); Всесоюзной конференции АН СССР и АН Украины «Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых» (Львов, 1991); лекциях по горной геофизике, читаемых автором в М.ГИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных трудов, в том числе 2 монографии.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 частей (6 глав) и заключения, изложенных на 267 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 171 наименования и приложения.

При выполнении исследований автор пользовался поддержкой и содействием руководства Всесоюзного объединения «Союзуглегеология» Минуглепрома СССР,'корпорации «Уголь России», ВНИМИ, ИГД им. А. А. Скочинского, Украинского НИМИ.

Автор искренне признателен своим коллегам за участие в проведенных исследованиях и оказанную помощь. Среди них прежде всего: до>кт. геол.-мин. наук, проф. Азаров Н. Я., докт. техн. наук, проф. Войтковокий Ю. Б., канд. геол.-мин. наук Черников А. Г., к а« д. техн. наук Исаев 10. С., канд. техн. наук Анциферов А. В., канд. геол.-мин. наук Киселев Н. Н., канд. техн. наук Тиркель М. Г., канд. техн. наук Рубан А. Д., канд. техн. наук Черняков А. Б., канд. геол.-мин. наук Майборо-да А. А., ка-нд. техн. наук Миняфаев Р. X., инж. Николаев Ю. И. и Смольник Н. А.

Особую благодарность автор приносит проф. Ямщикову В. С., советы и консультации которого способствовали написанию диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постановка задач исследования

В развитии подземной угольной геофизики можно выделить три главных этапа: 1) адаптации достижения полевой и скважшшой геофизики к условиям шахтных измерений; 2) развития комплексных геолого-геофизических исследований; 3) разработки системных представлений о массиве горных пород, геотехническом комплексе и методологии построения систем геомониторинга.

Первые два этапа в значительной степени развивались в русле достижений полевой и скважинной геофизики, испытывая преимущественно влияние школ В. В. Гречухина, И. И. Гурвича, В. К. Хмелевского, В. С. Ямщикова, В. Ю.

Зайченко, Е. С. Ватолина, Н. Я. Азарова. Полученные на этих этапах теоретические и практические результаты составили научно-методические основы пластовой электро- и сейсморазведки. Вместе с тем, аналитическая школа постановки и решения сложных многосвязных проблем исчерпала ресурс развития; возникла проблема поиска нового пути повышения эффективности эксплуатационной разведки.

Развитие новых идей обычно начинается с переосмысления задач, отыскания фундаментальных первооснов динамических процессов, протекающих в массиве горных пород. Научные подходы в исследовании первооснов эволюции динамических процессов, используемые С. Ю. Баласаняном, О. А. Вотахом, Ю. А. Косыгиным, У. Кэри, П. Дэвисом, И. Л. Герловиным, Дж. Клиром, А. В. Николаевым, Дж. Ни-колисом, О. Л. Кузнецовым, В. В. Кузнецовым, Н. А. Огиль-ви, Г. Л. Поспеловым, М. А. Садовским, Г. С. Вах'ромеевым, В. А. Букринским, Л. Ф. Дементьевым, Э. Шанда, В. С. Ямщиковым и др., оказали автору неоценимую помощь.

Существующие системные построения основываются на партиалитных концепциях, где в роли фундаментальных объектов выступают единицы вещества: минералы, породы, фации и т. д. В основе партиалитных концепций заложена одна фундаментальная функция — СТРОЕНИЕ, характеризующая части сложного геологического тела, но отсутствуют соединительные фундаментальные функции для описания их взаимодействия и эволюции. В предлагаемой работе разрабатывается методология системных построений на базе трех фундаментальных функций массива горных пород: СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ, СОСТОЯНИЕ, позволяющих рассматривать геологические среды в виде динамических систем.

Для разработки физико-геологических основ подземных геолого-геофизичесхих исследований с использованием системных подходов потребовалось решить следующие основные задачи.

1. Разработать систему понятий, обеспечивающих системное описание геологических гетерогенных сред и исследовать принципы их системных представлений.

2. Разработать системологию геотехнического комплекса на базе динамических физико-геологических и физико-технологических моделей геотехнического пространства с использованием фундаментальных функций и контролирующих их полей.

3. Разработать системологию формирования и эволюции физических свойств и петрофизических моделей массива горных пород.

4. Разработать новые принципы физико-геологического моделирования, основанные на иерархии петрофизических и

физико-геологических моделей, выделении нормальных, аномальных, статических и динамических ФГМ.

5. Исследовать основные типы информативных физических полей с целью определения видов структурно-вещественных комплексов нормальных геолого-геофизических 'полей, динамики свойств аномальных объектов и разрешающей способности методов контроля.

6. Разработать методологию создания систем геоконтроля на горных предприятиях на основе дискретно-непрерывного мониторинга с использованием комплекса геолого-геофизических наблюдений.

Система понятий и принципы системных представлений

МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД— участок земной коры, ограниченный верхними горизонтами литосферы и масштабами техногенного воздействия горного предприятия (т. е. совокупностью естественных и искусственных геологических границ).

Физико-геологическая сущность понятий МГП совокупно описывается тремя фундаментальными категориями: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, СОСТОЯНИЕ (CGC). СТРОЕНИЕ определяет характер залегания и взаимоотношения 'различных диалогических элементов или замещающих их компонентов. Признаком 'сложного строения является наличие естественных геологических границ, разделяющих геологические фазы, или различные состояния этих фаз. Категория СВОЙСТВА обуславливает различия или общность отдельных элементов сложного геологического тела (ГТ) или данного ГТ и граничащих сред, и обнаруживается в его отношении к ним или в реакциях физических ,полей. Говоря о свойствах МГП, следует понимать, что МГП присуща эмерджентность, т. е. наличие таких свойств, которые не присущи составляющим его элементам. При этом новые свойства не являются результатом простого сложения. Совокупность свойств МГП определяет его СОСТОЯНИЕ. Происходящие в МГП процессы теплообмена и обмена веществ (в полях фильтрации, диффузии и др.) указывают, что МГП есть термодинамическая система, в которой термодинамические параметры (например, энтальпия, энтропия) являются функцией СОСТОЯНИЯ. Эта категория характеризует способность к изменению и развитию процессов и явлений в МГП.

Основным высокоорганизованным классом термодинамических систем в геологии являются гетерогенные системы. Элементом гетерогенной термодинамической системы является ФАЗА. Области геохимических эпифаций (ареалы трансформаций вследствие дифференциального транспорта) и пространства, ограниченные естественными геологическими границами (поверхностями раздела), будем называть ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ ФАЗАМИ, характеризуя их квазипостоянными физическими свойствами.

Динамическая природа ССС, их взаимообусловленность проявляется в полях взаимодействий, которые могут быть представлены тремя классами подсистем: геологических, физических и геофизических полей.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛЯ — это .поля факторов G(x, у, z, t), контролирующих категорию СТРОЕНИЕ. Здесь х, у, г — координаты пространства. Временная (/) зависимость G определяется в рассматриваемых проблемах техногенными причинами (сдвижение, сотрясательное взрывание и др.). Среди геологических полей различают геометрические и символические. Первым соответствуют границы раздела I рода (свойства меняются скачком), вторым — II- рода (транзитивные границы). Примерами геометрических геологических полей могут являться пространства геологических фаз, на границах которых происходит смена литотипа, появление водоносного горизонта и др. К символическим геологическим полям относятся распределения в пространстве, например, зон различной степени трещиноватости, нарушенности.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ —это поля факторов F(x, у, z, t), контролирующих категорию СВОЙСТВА. В общем случае это поля физических (и производных) свойств литологических разностей, слагающих МГП, а также поля переноса энергии (электромагнитной, гравитационной, тепловой, упругой). Физические поля, исследуемые в подземной угольной геофизике, могут быть дифференцированы на поля, не обладающие аддитивностью, т. е. не зависящие от массы ГВ, — поля удельных физических величин, констант, модулей; и поля аддитивные — поля волновых процессов и эффективных (кажущихся) величин. Указанная дифференциаия обусловлена наличием геологических границ, гетерогенной природой угленосных отложений, дисперсионными свойствами реальных сред.

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ —это поля факторов 0Р(х, у, z, /), контролирующих категорию СОСТОЯНИЕ. К ним следует отнести поля внутренней и потенциальной энергий reo-, гидро- и газодинамики (статики) МГП, т. е. поля состояний. Введенное понятие хорошо коррелирует с представлениями Д. С. Коржинского об инертных и подвижных компонентах систем, являющихся факторами СОСТОЯНИЯ. А. Е. Шей-деггер пишет: «Напряжения формируют в пределах Земли определенное поле — его называют геофизическим полем напряжений». Геофизические поля обладают свойством аддитивности. В отличие от физических полей они не могут быть измерены непосредственно. Параметры геофизических полей необходимо рассматривать как функции параметров физических полей. Изменение параметров геофизических полей есть изменение СОСТОЯНИЯ МГП, что является ПРОЦЕССОМ.

ПОЛЯ ФАКТОРОВ, таким образом, представляют собой поля разнородных по природе характеристик (переменных)

геологической среды, отражающих ее физико-геологическую сущность, где ПЕРЕМЕННАЯ — это операционное представление характеристики среды, т. е. образ какого-либо фактора, определяемый процедурой измерения (наблюдения). Тогда ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ (ФГМ) среды есть обобщенное представление ее СТРОЕНИЯ, СВОЙСТВ и СОСТОЯНИЯ в виде системы адекватно распределенных геологических, физических и геофизических полей. Элементом ФГМ является петрофизическая модель (ПФМ). В подземных геофизических'исследованиях существенное значение имеет расширительная трактовка ПФМ, учитывающая в процессах формирования физических свойств пород стадии регрессивного эпигенеза (ПОСТИНВЕРСИОННЫЕ СВОЙСТВА), техногенных трансформаций, а также их последующей динамики. ПФМ — это четырехмерное представление полей удельных физических величин и средних значений полей состояния в границах геологических фаз (геометрии геологических полей). Физико-математическая абстракция петрофизической модели, представленная аддитивными полями переноса энергии и эффективных физических величин с трансформированной геометрией геологических границ, определяет понятие СТРУКТУРНО-ВЕЩЕСТВЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ (СВК). Совокупность ПФМ и СВК определяет ФГМ МГП.

Зададим систему МГП в виде:

= ({а„ А,\1 е= Ыа), {йу, В.\] е Л'„}),

где Ып={\, 2..... п}; Ыт ={1, 2, ..., т}\ а, —некоторая характеристика полей МГП; А1 —множество проявлений этой характеристики; Ь] — база наблюдаемой характеристики, (координаты евклидова или .риманова пространства, время, группы факторов); В!—множество элементов (параметров) базы.

50 представляет собой систему объекта, определенную множеством характеристик элементов системы. В наших задачах это данные об основных характеристиках полей и возможных пределах их изменения на выбранном параметрическом множестве Представление характеристики Я/ в виде переменной и,-осуществляется функцией посредством каналов наблюдения, число которых в общем случае равно количеству измеряемых величин. Аналогично для базы Ь)\ где/л/ —функция отображения множеств А1 и Ву, соответственно на множествах У1 и Wj.

Указанные преобразования характеристик полей в переменные дадут две новые системы, элементами которых являются потенциально возможные состояния обобщенных и конкретных переменных и параметров (У,; №/):

У=(((г/„ {К де))|/<=Ли),

y=({(iit Viîle^}; {{wJt Wj)\J(= Nm}),

где и, и Wj—конкретные переменные и параметры, являющиеся образом какой-либо характеристики системы (получают посредством каналов наблюдения), а У; и Wj —обобщенные переменные и параметры, представленные абстрактными величинами. Обобщенная переменная vl конкретизируется переменной v 1 функцией et : Vt Vh если et изоморфна. Аналогично для wj и Wj. Обобщенная система / является системой, формализованной для собственно машинной обработки.

Системы S0, J, J совместно с функциями конкретизации (etj) и наблюдения (fi.j) образуют исходную систему Se.

Система данных S^ в самом общем виде может быть определена как Sd={i4i7, , т. е. Sd описывает, в отличие от Se, множество действительных значений переменных (Д„) на параметрическом множестве (Вт). Иначе говоря, Sd= S^, d), где функция d определяется эмпирически (при измерениях), выводится из систем высших эпистемологических уровней, либо задается.

Обработка данных системы Sd имеет своей целью получение параметрически инвариантных свойств переменных, например, в группе (кластерный анализ).

Системы параметрически инвариантных переменных Sp (порождающие системы) представляют собой системы символических полей отношений переменных — функциональных, корреляционных, структурных или других связей наблюдаемых переменных (а,) и гипотетических (х). В рассматриваемом типе инвариантности переменные могут изменяться, однако характер изменения, описываемый какой-либо функцией связи, неизменен на выбранном параметрическом множестве. Тогда можем записать: Sp={K(a,), К(х)}. Здесь ai задаются системой Se, а переменные х могут вводиться.

Рассмотренные эпистемологические уровни систем могут быть использованы в системном анализе каждой из категорий ССС. Для совокупного анализа ССС, учитывая имеющееся у этих категорий общее параметрическое множество, удобно введение понятия структурированных систем. При этом каждая из систем ССС будет являться подсистемой структурированной системы (Sc), а некоторые переменные этих систем будут общими, характеризуя взаимодействия между подсистемами. В общем виде S^ = Введение важно для целостного восприятия МГП как системы через связи подсистем ССС. Таким образом, элементами структурированных систем являются системы с разными в общем случае множествами переменных, по которым осуществляется интегрирование.

Понятие структурированных систем может быть введено на любом уровне систем, удовлетворяющем требованиям совместимости (общее параметрическое множество) и неизбыточности (элемент структурированной системы не может быть подсистемой другого элемента этой же системы). Тогда приведенное выше общее выражение для можно представить в виде:

где 1 = е, (1, р (определяет вид элемента системы); — элемент системы; — исходная система, система данных или порождающая система; V — множество переменных, входящих в х51; <7 — количество элементов системы

При этом для отдельных элементов системы например, и х, у е Л^, должно соблюдаться ХУ(]уУ = 0, т. е. элементы и УБ1 соединены.

При интегрировании по параметрическим множествам (независимо от наличия или отсутствия пересечения множеств переменных) возникает качественно новый уровень систем 5л —метасистема. Этот уровень представлен метасистемой МГП в том смысле, что он логически выше уровня структурированной системы ССС, определяющей через соединение фундаментальных категорий понятие МГП. Подобно тому, как элементами могут быть Бр или (иногда 8е), элементами 5„ могут являться:

Тогда 5М = (В, <Э, /), где С? —множество систем (5е, и параметрические множества которых являются подмножествами В (общее параметрическое множество); / — процедура (функция) замены: /: В-+-С}.

Метасистема — наиболее подходящая форма моделирования действующего горного предприятия (геотехнического пространства). В этом случае процедура замены (/) может, например, определять во временном параметрическом множестве переход на различные технологические режимы работы оборудования в зависимости от состояния подсистем

Системное представление геотехнического комплекса (ГТК)

Системное представление ГТК может быть раскрыто на уровне его основных структурированных подсистем: физико-геологической и физико-технологической (априорной и апостериорной) моделей. Семантика физико-технологической модели (ФТМ) определяется аналогично ФГМ, но задача эксплуатации шахтного поля в системной ^постановке трансфор-

мируется из привычного — организация добычи угля —в задачу перевода МШ из начального состояния С,,-, определяемого априорной ФТМ, в конечное состояние Ск, обеспечивающее решение следующих основных вопросов: объем добычи и качество полезного ископаемого; безопасность работающего персонала; уровень рентабельности; экологическую восстанавливаемость; защиту от подработки. Таким образом, ФТМ — это обобщенное представление состояния, свойств н строения в виде системы адекватно распределенных в пространстве и во времени геофизических, технологических и геологических полей. Состояние Ск следует рассматривать в виде функции времени — CJ(t), поскольку процесс трансформаций в пределах цикла жизни предприятий перманентный. Динамика системы ГТК должна быть управляемой, следовательно, ГТК необходимо цредставлять целенаправленной системой Su перевода подсистемы ФГМ ) в ФТМ (С„) с целью последующего перевода С „ в проектное состояние Ск"= Lim СK'. Иначе, ГТК можно определить как метасистему 5М, подсистемами которой являются системы ФГМ (S,), ФТМ (Сн) и ФТМ (Ск1 ), а антропогенный социальный фактор представляет собой функцию Я„, определяющую степень соответствия системы С К1 цели Ск° и при необходимости корректирующую CJ, а маска М определяет процедуру замены свойств. Соответствие текущего состояния системы CJ цели Ск° может быть оценено следующим образом. Для двух вероятностных (возможностных) состояний систем Ск', С/ и Ск"е5ы, заданной цели системы Скве5м, характеристической функции Нк, определяющей степень соответствия системы цели (Ям: С/ХСк*-*-[0, 1]), система С/ является целенаправленной относительно системы Ск" и цели С° если Ни{Ск\ Ск°)>Ни(Ск', Ск°). Тогда степень целенаправленности стемы определяется как

ДЯМ(СК', СК"|СК») = ЯМ(СК', СК«)-ЯЫ(СК", Ск0).

Система с положительной Д//м означает большее соответствие промежуточного С J каждой цели Ск°. Близость сопоставимых систем может быть оценена через метрическое расстояние Минковского, Хэмминга, Евклида между их функциями поведения (/). Можно использовать также информационное расстояние, что является предпочтительным. Здесь функция поведения f определяется функцией распределения (условной вероятностью) f:C,XCK'-v[0, 1], где С„—множество всех входных состояний системы; CJ —множество обобщенных состояний системы, не включающее входных.

■Исходя из семантики SM можно записать: SM = (ß, Q, /). Функция замены f: B-^-Q (*) не обязательно явно включается

в метасистему. Важно определить процедуру-, представляющую какую-либо функцию вида ("). Включенные в метасистему системы 5 и С должны быть сопоставимы. И если элементы 5 и С совместимы в смысле пересечения переменных, т. е. наличия связывающих переменных, что совершенно определенно выполняется в нашем случае, то элементы 5М(5 и С) соЕ-местимы, если имеют один тип базы. Как ясно из семантики ФГМ и ФТМ, которые описываются системами вида 5 и С, эти системы имеют общий тип базы и часто общие параметрические множества.

В статическом варианте ГТК может быть представлена не метасистемой, а суперсистемой структурированных систем или даже структурированной системой И в этом случае соотношение часть — целое т.ребует соблюдения принципа совместимости и включенности, т. е. системы Б п С воспринимаются как части системы 5Г, когда 5 и С полностью включаются в 5Г Поскольку 5 и С также могут рассматриваться как структурированные системы, 5.. по отношению к ним выступает в роли суперсистемы.

Для объединения множества систем в структурированную систему идентифицируем элементы структурированной системы

1/= у

где ¿7 — количество элементов, удовлетворяющих требованиям совместимости и неизбыточности; V и — множество переменных исходной системы и множество ее выборочных переменных (определяются набором правил сдвига переменных — V (№) на параметрическом множестве №).

Поскольку и для любых можем запи-

сать ={(•*£■, 5,) где 5г —один из уровней объеди-

няемых систем.

Соединение Сл.,у элементов х, г/еЛ^ системы определяется = П уБФ0.

Непосредственное отношение к вопросу совместимости систем имеет проблема устойчивости, которая определяется ее координатой в минимуме потенциальной функции. Представим модели систем ФГМ и ФТМ в виде марковских последовательностей, для которых в детерминированном случае — состояние, а в стохастическом.— вероятность того или иного множества состояний в момент времени ¿-однозначно определяются состоянием (вероятностью) этой системы в момент /—1. Множество состояний системы Ск' (£ = 1, 2, 3, ..., п) образует фазовое пространство, где каждому состоянию отвеча-

ет точка, а эволюция изображается фазовыми траекториями. Примером такой эволюции может являться движение линии очистного забоя.

Движение в фазовом пространстве с учетом бифуркаций может быть задано системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

^Г = У.(У.....,У„),А = ЬЕ2.....п, (1)

at

где У\, ..., у„— переменные, характеризующие ССС системы или координаты фазового пространства. Исследование (1) на устойчивость может быть осуществлено прямым методом Ляпунова.

Состояние равновесия системы определяется изображающей точкой М в фазовом пространстве при начальных возмущениях у v Тогда в соответствии с 1-й теоремой Ляпунова, если V(i/i, уз, ..., уп)—некоторая знакопостоянная функция координат (гиперповерхность) в фазовом пространстве, для которой

— = 2 dv dv- -v dv Ук dt (7) dyk dt (k) dyk

имеет знак, обратный V, то, так как М сходит с гиперповерхностей (г/i, г/2, Уп) = const в сторону меньших V, т. е. во внутрь, то имеет,место сходимость yk-+-0 и, следовательно,

устойчивость. Если одного знака с V — система неустойчива. {

Системология формирования и эволюции петрофизических

свойств

Реконструкцию открытой системы действующих факторов будем представлять в виде:

s/n

где 5/ и S/ —исходные системы факторов формирования и динамики свойств, соответственно; Sp —- системы факторов строения и состояния МГП; S^ — структурированная система свойств.

Каждая из систем S, (i->e, р, s) содержит некоторые множества переменных и параметров. В качестве параметров нами используются группы процессов (геологические, техногенные, эндогенные, экзогенные), время (млн. лет, годы, сутки, часы и т. д.) и координаты пространства (табл. 1). Переменными являются дифференциальные (интегральные) характеристики процессов.

Системный анализ факторов формирования физических свойств с учетом техногенной составляющей позволил выделить три основные фазы их существования в пространстве и во времени:

1. Доинверсионные петрофизические свойства (ДПФС),

возникающие в фазе генетических преобразований вещества, включая прогрессивный эпигенез, которые интегрально характеризуются фациальными и термобарическими условиями. В этой фазе формируются поля палеосостояния и строения геологических тел.

2. Постинверсионные свойства (ППФС), являющиеся следствием эволюции ДПФС под воздействием факторов регрессивного эпигенеза (табл. 1), среди которых основными являются тектоно-мор'фострукту.рные изменения и гипергенез. Эта фаза свойств характеризует естественное состояние и строение геологической среды.

3. Техногенные свойства (ТПФС), являющиеся следствием геодинамических и геохимических трансформаций ДПФС и ППФС в результате инженерного воздействия на МГП.

Масштабы эволюции ДПФС имеют локальные и региональные особенности, т. е. зависят от масштабов рассматриваемых участков геологической среды.

Динамика свойств МГП есть результат взаимодействия экзогенных и эндогенных полей возмущений. Интегральная характеристика этих полей по существу сводится к электромагнитному и гравитационному видам взаимодействий. Наиболее заметные аномальные эффекты гравитационного и электромагнитного взаимодействия связаны с циклической энерго-активноетью планетарного и звездного происхождения. Исследование градиентов изменения физических свойств указывает на наличие энергопассивных геологических образований, характеризующихся доинверсионными петрофизическими свойствами, и энергоактивных зон (ППФС и ТПФС), для которых характерна нелинейность. Таким образом, принципиально важным для построения ПФМ .и ФГМ реальных сред является учет существования в пространстве и во времени трех различных фаз физических свойств (ДПФС, ППФС, ТПФС), динамика, которых характеризуется нелинейными трансформациям«.

Иерархичность ПФС определяет иерархичность ПФМ среды. С использованием фондовых и литературных данных автором получены поля распределений ДПФС и ППФС в фазовом пространстве основных генетических и эпигенетических факторов, которые составляют основу построения петрофизи-чееких моделей и выбора перспективного комплекса методов геоконтроля. Модель ДПФС получена, в виде изолиний физических полей д„, Vр <к в координатах: состав — степень преобразования—свойства. Состав угленосных отложений

определен парагенетнчеоким -рядом, выраженным в .интервале уголь — аргиллит через величину содержания - минеральных примесей (Л1п), а в интервале аргиллит — конгломерат — через содержание кластического материала (Скл). Термоба-рическне условия преобразования определены через глубину максимального погружения (#тах), что тесно коррелируется с эпигенетическими факторами — палеодавлением и температурой. Полученная модель характеризует фазовый объем ДПФС для условий Печорского и Кузнецкого бассейнов и может рассматриваться как нормальный энергопассивный Астрофизический фон объекта исследований.

Для построения моделей ППФС были получены зависимости физических свойств пород от интенсивности их трещино-ватости (группы нарушенности) в виде изолиний физических полей в координатах: ЭПИГЕНЕЗ (Ятах) — интенсивность трещиноватости— свойства. Анализ зависимостей показал, что для всех литотипов (песчаники, алевролиты, аргиллиты) с увеличением интенсивности трещиноватости увеличивается пористость, уменьшается скорость распространения продольных волн, удельное электрическое сопротивление, плотность насыщенных водой пород.

При техногенном воздействии МГП испытывает импульсные (динамические) и долговременные (статические) воздействия. Для техногенеза горнодобывающего профиля характерно: переформирование структуры подземного гидрополя; формирование техногенного поля напряжений; развитие техногенной трещиноватости и нарушенности; изменение вещественного состава и газоносности. В результате техногенеза происходит преобразование верхних горизонтов литосферы (МГП) в новую сущность — техногеосферу (экзотехносферу). Для понимания механизма техногенных трансформаций ПФС были исследованы зависимости скорости упругих волн (]/р), электрического сопротивления (р) и влажности (№) от времени (что соответствует выбранному ранее параметрическому множеству системы). Установлено, что при снятии внешнего напряжения и образовании поверхностей контакта с внешней средой происходит интенсивная дегидратация минеральной массы и развитие микротрещиноватости, что вызывает падение Ури р. При изоляции свободных поверхностей аргиллитов и алевролитов от контакта с помощью парафина или эпоксидной смолы наблюдался обратный эффект — интенсивный рост Ур (~на 8%) с выходом (в течение 3...6 сут) на асимптоту. Действительно, под действием внутреннего давления флюидов, насыщающих породу, во внутренних областях образцов происходит дегидратация лиофильных коллоидных пленок, что приводит к повышению механической прочности пород. Конденсируемая на внутренней поверхности оболочки влага способствует повышенной: гидратации коллоид-

cicteiug - fAMOMui («Mil; tmiiini mmi rcfum ncroi

7ao.".;rua 1

-E

tstrcrï fjPMPMM cMf,:w

Jrm

rtcicrwEciK

fHŒTWECtK

jtinomnrMi

IttWOffOrpltl'-ICÏW

■Ttmimcm

lUfltHYl

rwotmxm rtoiinvin«

est U '»ÏIOIU

tihifto

WSrtRETIRKHÎ

irorpiccnM ItiriWTrtttlM

ptrpeccre» invrtwmettM

RtxwmtK

COCTO

eSocîi

CWCI

aa«orn6m Kttpcn

lra«0Tfiw Irpuurr

ftttMUK

T

rfoior racic!

I09KT

Kttt 4M TtiToan ncrtirl

nSMûrtPrp» ♦rwero te ««M

UiMO KJRRtm

nnswwam

! «HP«™ i IOITMMÎ

k. tmtu

MCTt

CTonrp» TtKCTVI

MKcrtcmt

COCTU

T

Q

ÎI1U0-XlWtEMt

riitmmj—

cirimm-

»'.Kfllt

XTl

rltUSfllWItlC

lEMIMEHE

uMuai TOSTII utcciuui «ttetn. «IfTH-JI tomn nnnttn pmnini cgptw »«lin ptrioinui uristTtni

TCMIxan.

im-

coutm

acmmmm

mmK№ unmu

tt: 1EÏJ3E

tteraro

loicstrcm «rmmrawciiE raiera i m )

TOHuarscn

tt?!!K!ÏKTl

kesuerkii nraracm

seu entrai cœru

mmeancn

SESgutRim, rijosscuscn

ituuusi

citmsîfcrsBitsTc ( crctrra i KTtcramci tccmtn ire )

uemum

KUtmnM toi

rtrKBUlWE

uxkthm nmminrtiE ttiicm i cictcra i tunEgiMMi ira

wmmi

COffitUII

tociiHrciai

PUU1M

iTWCfapBOI m Mm

«TMCfep.

roiarru. imiter.

îm,(ami

TtW®|-IX »M

1 I

rUpOf»®-ItiOPL

COEPIL

nrroiui usunu

IHlTPtKUl

pimou

tamarin

wn

TtXHOriiUtKI

mi

îïisrtsv.t faiTopu iccima ceoîctb aurenait

ных пленок периферийных областей, что увеличивает их упругость и клеющуго способность (ван-дер-ваальсовские взаимодействия). Последнее предотвращает разрушение образцов. Процесс ультрафильтрации приводит к возникновению градиента химического потенциала во внутренней и периферийной областях образца, следствием которого является развитие осмотических явлений в граничной фазе.

Рассмотренный механизм эволюции свойств пород качественно не зависит от современной глубины залегания и стадии эпигенетических преобразований.

Таким образом, физические свойства пород представляют собой иерархическую динамическую систему, а ритмы динамики интегрально определяются экзогенными, эндогенными и техногенными факторами.

Принципы физико-геологического моделирования

Понятие моделирование имеет смысл отыскания подобия между подлинной системой (реальным геологическим объектом) и моделирующей системой. Корректная модель должна сохранять не только связи менаду входящими переменными, но и структуру реального объекта на соответствующем эпистемологическом уровне. Например, для двух структурированных систем:

где "Ях — природная система; '¿Зе,а,р—любая из подсистем (систем низшего эпистемологического уровня); '¿У — соответствующие множества переменных, определяющих и <7 — количество элементов системы

может быть определена как система, моделирующая если существует соответствие между элементами ^

и

Согласно приведенным выражениям определение ФГМ может быть формализовано: ФГМ — это обобщенное представление строения, свойств и состояния реального геологического объекта исследования (МГП) в виде абстрактных структурированных систем, сохраняющих характер отношений между подсистемами и их элементами.

В общем подходе к формированию ФГМ предлагается итерационный принцип (Огильви А. А., Вахромеев Г. С.) с эмпирико-физическим содержанием (табл. 2). Семантика последнего определения основывается на иерархии петрофизи-ческих свойств и их динамике, которые в фазе нормального

2

17

фона, формализуются в виде достаточно простых и хорошо разработанных моделей СВК, а в фазе аномальных полей дают представление о характере эволюции свойств и геометрических формах объектов. При этом необходимая точность прогнозных оценок МГП должна достигаться не за счет усложнения математических моделей, а за счет отыскания системообразующих связей, многомерного анализа, процедур машинной обработки.

На первом этапе построения ФГМ по данным детальной разведки, доразведки, региональных исследований (например, по газодинамическим явлениям) создается региональная ФГМ (в технических границах шахтного поля). С этой целью разрабатывается петрофизическая модель среды в виде четырехмерного (в пространстве и во времени) представления полей удельных физических величин и средних значений полей состояния в границах геологических фаз. Данные каротажа скважин заносятся в базу данных в виде, удобном для последующего построения погоризонтных (либо объемных) карт изолиний физических свойств, газоносности, влажности и др. Далее с использованием базы данных по ФГМ производится оценка подобия ПФМ, определяются типы возможных видов структурно-вещественных комплексов и перспективный комплекс геоконтроля. Выбор типов СВК должен производиться через оценку области, существенной для формирования волновых процессов. Указанные данные составляют основу проекта на опытно^экспериментальные работы л определяют суть региональной ФГМ.

На основе региональной модели разрабатываются локальные ФГМ, соответствующие выбранным типам СВК. На этом этапе с учетом результатов опытно-экспериментальных работ определяются техногенные эволюции свойств (ТПФС), характер и основные параметры безаномальных (нормальных) полей и формируется рациональный комплекс методов геоконтроля. Третий этап состоит в разработке аномальной (рабочей) ФГМ. Здесь, на основании опытно-экспериментальных, параметрических и режимных исследований, повторной геологической документации (при необходимости) и информационной базы ФГМ создается ПФМ типичных аномальных объектов с учетом полей помех и техногенных трансформаций. Производится оценка подобия и определяются диагностические признаки аномального явления в наблюдаемых полях. Далее следуют проектирование системы геоконтроля, собственно шахтные геолого-геофизические наблюдения, передача и подготовка данных к обработке. Последующий многомерный анализ позволяет оценить группы доминирующих признаков выделения аномальных явлений и скорректировать рациональный комплекс геоконтроля. Заключение по результатам интерпретации данных наблюдений составляет прогноз-

ПРИНЦИПЫ ;ЖИК0-1Е010ПИЕСК0Г0 МОДЕЛИРОВАНИЯ

Тайлши 2

1 - рогсональ^аа «им

2 - Еор:адьная

(локальна-:)

ПРОГНОЗ 4

Строевое Свойства Состояние

Оценка достоверности

3 -ааге-.'шьаад; 2Ш

4 - прогнозна::

ную физико-геологическую модель, которая, трансформируясь в физико-технологическую модель, позволяет оценить достоверность прогнозных данных с передачей результатов в информационную базу.

Предлагаемый принцип физико-геологического моделирования имеет динамический характер. Здесь статические региональные и локальные (нормальные) ФГМ характеризуют в целом энергопассивные образования, формализуемые в виде СВК, а аномальная ФГМ за счет динамики и нелинейности ПФМ энергоактнв'ных объектов приводит к динамике ФГМ в целом.

Ключевыми этапами моделирования (табл. 2) являются разработка петрофизических моделей (см. выше) и СТРУКТУРНО-ВЕЩЕСТВЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ. В результате цикла аналитических модельных и экспериментальных исследований в работе установлено, что основными типами СВК, аппроксимирующими реальные угленосные отложения, являются: 1) волноводные; 2) однородные, но анизотропные структуры. Для электромагнитных полей радиочастотного диапазона показано, что при соотношении /г2/Л1>2,66, где — мощность плохо проводящего уголыюгопласта, 1г2 — мощность хорошо проводящих пород кровли (почвы) пласта в случае вертикальной поляризации поля и соотношения /¿]/л "^0,23 (I — длина волны в среде), слоистая среда может быть аппроксимирована трехслойной — волновод в квазиоднородной среде с коэффициентом волноводностн В~ 3...7. Оценка скоростных характеристик показала, что структура угольный пласта —вмещающая среда может быть отнесена к диэлектрическим волноводам (для каменных углей), поддерживающим слабо локализованную поверхностную волну. При /г2/Л 1-е 1,33 слоистая среда ведет себя как однородная, но анизотропная.

В случае продольной поляризации поля для /г2//11>2,66 и частот [<2,5 МГц слоистая среда ведет себя как однородная изотропная с электрическими параметрами хорошо проводящего слоя. То есть присутствие плохо проводящих слоев практически не влияет на характер поля. На высоких частотах (/>2,5 МГц) при /г2/7г1 1,33 волноводнымн свойствами, но значительно менее выраженными (В—1,6...2,8), обладают хорошо проводящие слои. Этот эффект связан с возникновением вторичных полей, распространяющихся вдоль контакта.

Математическое моделирование сейсмоакустнческнх полей для сейсмогеологнческнх условий ряда шахтных полей Кузнецкого и Карагандинского бассейнов позволили установить, что характер волновых полей в области регистрации фазы Эйри не зависит от строения верхнего и нижнего полупространств при мощности непосредственной кровли (почвы) > >1 м, а определяется резкостью акустических границ. Изме-

2*

19

нение резкости акустических границ от слабых (0,7) до сильных (0,3) приводит к изменению частоты колебаний в фазе Эйри в среднем менее чем на 12%, т. е. вариация типов гра-. ниц приводит к незначительной спектральной эволюции волнового поля. В то же время уменьшение групповой скорости в фазе Эйри с увеличением резкости границ может достигать 39%. Для низкочастотных волновых пакетов пласт-волновод сложного строения ведет себя как мелкослоистая структура. Таким образом, основным типом СВК для сейсмоакустиче-. ских полей является волноводная структура.

МОДЕЛИ АНОМАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ, рассматриваемые в работе, дифференцируются на статические и динамические. Первым соответствует общепринятое линейное прибли-. жение, вторым — нелинейное, обусловленное динамикой геохимических процессов и напряженно-деформированного состояния МГП. Принятие той или иной модели зависит от вида изучаемого аномального объекта; соотношения поглощающих свойств среды ( +рассеяние) и нелинейности; вида гетерогенности (мутности) среды; фазы геомониторинга. Величины аномалий физических полей на энергоактивных геологических образованиях зависят от тензочувствительности среды и фазы тензоактивности (или поляризуемости), которая определяется экзогенными и эндогенными факторами динамики тектонических напряжений (см. табл. 1). Нелинейность свойств энергоактивных аномальных объектов типа малоамплитудных разрывов и зон трещиноватости приводит к увеличению ширины спектра упругого поля за счет взаимодействия высокочастотных и низкочастотных сейсмических событий (эмиссия и зондирующий сигнал). Для статических моделей величина аномальных эффектов в наблюдаемых полях определяется контрастностью свойств аномальных объектов и вмещающей среды, соотношением геометрических характеристик объектов и зондирующих полей, типом СВК и видом поляризации поля.

"При изучении градиентов кажущихся сопротивлений (рк) в аномальных зонах использовались рассчитанные автором палетки, позволяющие учитывать соотношения рк граничащих слоев, размеры установок профилирования и положение измерительных установок относительно границ раздела. По данным томографической обработки сейсмоакустической информации на тектонических нарушениях подтвержден волнообразный характер распределения динамических и кинематических характеристик упругих полей, связанных с перераспределением напряжений в зоне нарушений и волновой природой механических напряжений. Характер движения полей и вещества в зонах напряженного состояния пород показывает, что повышенная плотность геотоков в зонах аномальных напряжений является не только следствием термохимических

реакций, но и электрохимических процессов, в которых верхние горизонты МГП играют роль катода, мощный отрицательный заряд которого обусловлен атмосферным электричеством. Получена расчетная формула для определения эффективных свойств статических аномальных объектов при произвольной границе раздела.

В результате физического моделирования электромагнитных и сейсмоакустических полей, большого объема шахтных экспериментальных работ установлены разрешающая способность и дальность исследований методами сопротивлений — симметричными (СЭП), комбинированными (КЭП), диполь-ными (ДЭП) и дифференциальными установками _(ДУ), радиоволнового (РВП) и сейсмоакустического (МСП) просвечивания, отраженных волн (MOB, МОГТ, радиолокация).

Комплексные исследования и геомониторинг

Выбор методов разведки во многом определяется наличием, расположением и конфигурацией горных выработок, видом их крепления, насыщенностью горным оборудованием и коммуникациями, близостью отработанного пространства.

В подготовленных к эксплуатации выемочных столбах с полным контуром горных выработок используются полные системы наблюдений методами просвечивания (МСП, РВП, электрического). Эти схемы наблюдений принимаются также при незамкнутом контуре — с мобильным забоем. При необходимости (в задачах картирования) эти методы сочетаются с методами отраженных волн и электрометрическими наблюдениями методом срединного градиента (СГ).

В случаях одностороннего доступа к МГП (наличие одной выработки) методы отраженных волн имеют самостоятельное и преимущественное значение.

В фазе дискретных наблюдений различают поисковые и детализационные работы.

Поисковые исследования включают этапы: 1) опытных работ (изучение уровня техногенных помех; основных характеристик нормальных полей и свойств известных аномальных объектов); 2) рекогносцировочных работ (СЭП по горным выработкам с целью выделения зон техногенных трансформаций свойств в околовыработочном пространстве; один или несколько методов синхронного (квазиоэквидистантного) просвечивания в зависимости от решаемых задач: малоамплитудные разрывы — РВП, МСП или электрическое просвечивание; трещиноватость, обводненность, литология, морфология — СГ и электрическое просвечивание; напряженное состояние — МСП; 3) картирования аномальных объектов (MOB, МОГТ, локация на участках с выделенными аномальными зонами).

Детализационные исследования могут включать либо 1-й и 3-й этапы, либо только 3-й. В первом случае разведка обычно состоит в картировании в межвыработочном пространстве известного по данным подготовительных горных работ аномального объекта. Во втором — детализационные работы являются этапом поисковых работ.

Получаемые в результате комплексных наблюдений переменные геологических, геофизических и физических полей составляют матрицу исходных данных, которые, как правило, имеют фрагментарную заполненность (из-за систем наблюде-, ний). Для статистических моделей динамических систем наиболее пригодны марковские цепи, позволяющие с большой надежностью реконструировать полную матрицу исходных данных. Задача распознавания со стандартной информацией состоит в том, чтобы для данного объекта м и набора классов Qi, ..., Qm no обучающей информации /0(Qi, ..., о классах и описанию /(со) вычислить значения предикатов Р<'(ы& 2,), где t=l, ..., т. Информацию о соответствии объекта со классу Q дает решающее правило ß|coeQ , coefi . Отличие примененной модели от традиционной состоит в представлении признаков и их значений в виде случайной последовательности с марковским свойством:

где /i=l, ..., N — некоторый параметр, например, виды геоло-го-теофизических исследований (MOB, МСП, РВП или др.).

В работе показано, что предложенные статистические модели многомерного анализа успешно применимы для обработки слабокоррелируемых переменных.

Разработанная под руководством и при участии автора технология комплексной оценки горно-геологических условий отработки угольных пластов прошла опытное внедрение на шахтах объединений «Донецкуголь», «Лисичанскуголь», «Александрняуголь». Достоверность прогноза составила: ПО «Донецкуголь» — 75% (12 лав); ПО «Александрняуголь» — 86% (9 лав); ПО «Лисичанскуголь» — 85—90% (2.лавы).

Идеология построения автоматизированных систем контроля

Геотехнический мониторинг имеет три основные фазы: 1) до начала строительства горного предприятия; 2) в течение его жизни; 3) после консервации предприятия.

Основные задачи геотехнического мониторинга тесно переплетаются с рассмотренными принципами физико-геологического моделирования (табл. 2):

1. Изучение геологических, физических и геофизических полей до техногенного воздействия в области, перекрывающей площадь будущего шахтного поля, используя аэро- и ко-

смическую съемки, площадные полевые и скважинные геолого-геофизические наблюдения.

2. Режимные (дискретные) наблюдения в скважинах и на поверхности в период строительства горного предприятия за динамикой геофизических (напряжено-деформированное состояние, газоносность, обводненность) и геологических (тре-щнноватость) полей.

3. Режимные (непрерывные) наблюдения в горных выработках сейсмоакустической и электромагнитной активности (эмиссии) МГП, концентрации метана, расхода воздуха, напряжений, температуры угольного пласта.

4. Дискретные наблюдения в горных выработках техноге-неза физических свойств, переменных искусственных сейсмо-акустических, электромагнитных и сейсмоэлектрпческих полей (сейсмо- и электроразведка), показателей качества угля, повторная геологическая документация.

Различные природа и форма проявлений основных факторов динамики МГП обусловливают необходимость создания автоматизированных систем контроля в режимах непрерывных и дискретных геолого-геофизических наблюдений быстро и медленно изменяющихся процессов. Основная идея автоматизированной системы контроля (АСК) состоит в создании организационно-технической структуры, позволяющей осуществлять сбор, передачу и обработку физически разнородной информации пу1ем включения в систему необходимых (в качественном и количественном аспектах) измерительных модулей и прикладных программ обработки и интерпретации, без изменения общей структуры АСК (табл. 3). Поэтому основой системы АСК является модульная компоновка подсистемы сбора данных. В понятие измерительного модуля включаются в общем случае N чувствительных элементов (сейсмопри-емники, антенны, электроды, тензодатчики и др.) и блок преобразования сигнала в цифровой .код, маркировки и передачи в линию связи. Необходимая сеть наблюдений реализуется путем наращивания количества модулей. Группы чувствительных элементов (ЧЭ) измерительных модулей (ИМ) пространственно могут быть дифференцированы на группы, контролирующие забой (ЧЭ — 3), выемочный столб (ЧЭ — Л), шахтное поле или крупный блок (ЧЭ — Ш). В единую систему замыкаются группы датчиков технологического и геофизического контроля. Выделяются каналы (ЧЭ) быстро и медленно меняющихся процессов (соответственно БМП и ММП). К первым могут быть отнесены датчики сейсмоаку-стичеокой, электромагнитной, сейсмоэлектрической эмиссии. Ко вторым—концентрации метана, тензометрии, температуры, скорости движения воздуха по горным выработкам, технологических параметров работы (остановки) комбайна, мас-

лостанцни, конвейера, буровой и породопогрузочной машин забоев и др.

Программное обеспечение АОК включает следующие основные программы: обеопечивающие сбор и передачу информации по сети передачи данных (ОПД); трехмерного моделирования физических, геофизических и геологических полей на базе пакетных марковских моделей; прикладные программы обработки информации о наблюдаемых полях переменных; комплексной обработки и интерпретации геолого-геофизических данных; построения различных изображений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны основы системного изучения массива горных пород через наблюдаемые процессы и явления различной лрироды. Выполненные исследования позволили сформулировать и обосновать научные положения, совокупность которых может быть определена как новое направление развития шахтной геофизики, состоящее в рассмотрении горно-геологических 'процессов и явлений в виде открытой динамической системы, эволюция которой контролируется посредством геолого-геофизических и других каналов наблюдения.

Основные научные и практические результаты, определяющие новое направление развития шахтной геофизики, заключаются в следующем:

1. С использованием системного подхода разработаны физико-геологические основы подземной угольной геофизики на новых .концептуальных представлениях о фундаментальных динамических функциях массива горных пород, которые в отличие от существующих концепций используют фундаментальные функции —СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, СОСТОЯНИЕ, обеспечивающие не только указание частей геологического тела, но и характера их взаимодействия ,и эволюции. Разработана методология решения системных задач применительно к проблемам шахтной геофизики.

¡2. Исследована иерархичность нетрофизических свойств горных пород, включающих доинверсионную, постинверсионную и техногенную фазы. Полученные поля распределений нетрофизических свойств в фазовом пространстве основных генетических и эпигенетических факторов составляют основу построения петрофизических моделей и выбора перспективного комплекса методов геоконтроля.

3. Предложены системная трактовка понятия геотехнического комплекса в виде направленной метасистемы, алгоритм оценки ее направленности и устойчивости с использованием в качестве информационно-управляющей подсистемы геолого-геофизических и технологических методов контроля.

(ИтНАЩааО-ШШЧНйКЁН ÜWWiTJVA. AÜÄ

4. Установлены физические закономерности, определяющие:

¡зависимость физических свойств пород и углей от степени нарушенности и современной глубины залегания;

механизм физико-химических процессов изменения физических свойств углевмещающих пород при техногенном воздействии;

зависимость волноводных и поглощающих свойств слоистых сред от характеристик гсолого-геометрнческих и электромагнитных полей;

зависимость дисперсии интерференционных упругих волн от строения волновода и вмещающей среды, а также резкости акустических границ;

зависимость измеряемых величин кажущегося сопротивления от резкости и удаленности электрических границ;

зависимость вида спектральных характеристик активных сейсмоакустичсских полей от наличия энергоактивных геологических образований (зоны аномальной шумностн—нару-шенность, трещиноватость).

5. Разработаны новые принципы фнзпко-гсологического моделирования, основанные на:

иерархии нетрофизических и физнко-геологнчсских моделей;

выделении нормальных и аномальных ФГМ;

дифференциации аномальных ФГМ на статические и динамические.

Предложены фрагментны 'нелинейных динамических моделей аномальных объектов для задач электродинамики и сей-смоакустики.

6. Разработана методология создания системы геоконтроля на горных предприятиях, основой которой является дискретно-непрерывный мониторинг, учитывающий динамику и нелинейность свойств массива горных пород в энергоактнвных областях. Разработана и внедрена в производство технология комплексного изучения условий отработки угольных пластов, представляющая дискретную часть геоконтроля.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Грачев Л. Д., Яковлев Д. В. Изучение тектоническом нарушенностн угольных пластов методом радиопросвечивания. — В сб.: «Технология добычи угля подземным способом», № 11. — М.: ЦНИЭИуголь, 1975.

2. Грачев А. А., Якозлев Д. В. Радиоволновое просвечивание угольных пластов. Разведочная геофизика, вып. 73. — М.: Недра, 1976.

3. Грачев А. А., Яковлев Д. В. Физические основы прогнозирования тектонической нарушенностн угольных пластов радиоволневым методом.— В кн.: Комплексные исследования физических свойств горных пород,—М.: МГИ, 1977.

4. Яковлев Д. В. Оптимальная поляризация электромагнитного поля при радиопросвечивании в анизотропной среде.— В кн.: Управление свойствами и состоянием массива горных пород. — М.: МГИ, 1979.

5. Ямщиков В. С., Грачев А. А., Яковлев Д. В. Опыт применения радиопросвечивания при изучении нарушенности угольных пластов радиоволновым методом. — Уголь, 1979, № 11, с. 57—60.

6. Состояние и пути развития радноволновых методов/Петровский А. Д., Яковлев Д. В. и др. — В кн.: Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Сибири и на Дальнем Востоке.— М.: ВНИИГеофизика, 1980.

7. Развитие шахтной геофизики в угольной промышленностн/Терен-тьев Е. В., Яковлев Д. В.— В кн.: Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Сибири и на Дальнем Востоке. Электроразведка.— М.: ВНИИГеофизика, 1980.

8. Яковлев Д. В. Параметры метода радиопросвечивания при прогнозировании нарушенности угольных пластов. — В кн.: Добыча угля подземным способом, № 2. — М.: ЦНИЭИУголь, 1980, с. 30—31. '

9. Азаров Н. Я., Киселев Н. Н., Яковлев Д. В. Применение инженерной геофизики в угольной промышленности. — В кн.: Применение геофизических методов исследования в инженерной геологии и гидрогеологии.— Пасанаури, 1981.

10. Сейсмическая разведка нарушенности угольных пластов/Е. В. Те-рентьев, Д. В. Яковлев и др. — В кн.: Ресурсы твердых горючих ископаемых, их увеличение н комплексное использование в народном хозяйстве.— Ростов-на-Дону, 1981.

11. Азароз Н. Я., Яковлев Д. В., Исаев Ю. С. Анализ основных направлений разработки сейсмоакустнческого метода прогнозирования горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений в СССР и за рубежом. — В кн.: Горная геофизика. — Тбилиси, 1983.

12. Исследование угольных месторождений СССР сейсмическими и геоакустическими методами/В. 10. Зайчснко, И. Т. Козельский, В. Е. Кру-пин, Д. В. Яковлев и др. — 29 международный геофизический симпозиум. Тез. докл.— Варна, 1984.

13. Яковлев Д. В., Исаев Ю. С., Азаров Н. Я. Изучение малоамплн-тудной тектоники и морфологии угольных пластов методами пластовой сейсмоакустической разведки. — Труды XXVII международного геологического конгресса. — М., 1984.

14. Твердохлебов В. Ф., Яковлев Д. В., Азаров Н. Я. Итоги и перспективы развития шахтных геофизических методов разведки угольного пласта.— В кн.: Основные направления научно-технического прогресса при поисках и разведке твердых горючих ископаемых. — Ростов-на-Дону, 1986.

15. Азаров Н. Я., Исаев Ю. С., Яковлев Д. В. Шахтная сейсморазведка разрывных нарушений угольных пластов с помощью цифровых сейсмо-станций. — В кн.: Горная геофизика. — Тбилиси, 1987.

16. Азаров Н. Я., Яковлев Д. В. Основные направления развития шахтных геофизических методов разведки при добыче угля. — Труды VII международного конгресса по маркшейдерскому делу. — Л.: 1988.

17. Азаров Н. Я., Яковлев Д. В. Сеисмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений.— М.: Недра, 1988, 199 с.

18. Грачев А. А., Яковлев Д. В. Моделирование электромагнитных полей в присутствии тел-волноводов. — В кн.: Нопыс разработки по созданию эффективных методов рудной геофизики. — Тр. ЦНИГРИ, вып. 222. — М„ 1988.

19. Зайденварг В. Е., Яковлев Д. В. Принципы создания систем геоконтроля массива горных пород. — Уголь, 1990, № М, с. 10—12.

20. Исаев Ю. С., Ревва В. Н., Яковлев Д. В. Некоторые особенности изменения параметров сейсчоакустических и электромагнитных волн в образцах выбросоопасных углей и пород при моделировании объемных напряжений и деформаций. — В кн.: Деформирование и разрушение ма-

териалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Тез. докл. — Симферополь, 1990.

21. Исаев Ю. С., Яковлев Д. В. Эмиссионные процессы в образцах углей и пород при трехосных нагружениях.— Тезисы докл. VIII Всесоюзного совещания по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температур-ах, часть I. — Уфа, 1990.

22. Яковлев Д. В. Принципы моделирования в шахтной геофизике.— В сб : Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений. Часть II. — Л., ВНИМИ, 1990, с. 11—13.

23. Яковлев Д. В. Системное представление: массива горных пород.— В сб.: Физические процессы горного производства. — М.: МГИ, 1990.

24. Яковлев Д. В., Азаров Н. Я. Подземная угольная геофизика (физика и термины). — Уголь Украины, 1991, № 12, с. 55—57.

25. Яковлев Д. В. Вопросы методологии подземной угольной геофизики. — Уголь, 1991, № 12, с. 56—58.

26. Яковлев Д. В., Миияфаев P. X. О техногенных трансформациях постинверснонных петрофизических свойств. — В сб.: Новые разработки методов и технических средств ведения маркшейдерских работ. — С.-Пет., ВНИМИ, 1991, с. 141—143.

27. Яковлев Д. В. Системные исследования в угольной геофизике.— В сб : Новые разработки методов и технических средств ведения маркшейдерских работ.— С.-Пет., ВНИМИ, 1991, с. 137—140

28. Яковлев Д. В. Снстемо.югия факторов формирования и динамики пегрофизических свойств/Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых. Тез. докл. ИГГГИ АН Украины, том. III.— Львов, 1991, с. 38—39.

29. Яковлев Д. В., Черников Д. Г., Ямщиков В. С. Системология петрофизических исследований. — Уголь, 1991, Л? 12, с. 19—22.

,3J. Yakovlev D., Azarov N. Underground coal geophysics. In: Engineering Geophysics by A. A. Ot;i!vy-E!sevier sc. Amst.