автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Прогнозирование аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки при подземной разработке угольных месторождений

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская академия наук Институт горного дела им. А.А. Скочннского

Р Г 6 О А да Правах рукописи

2 2 МАЙ «05

Валерий Николаевич ЗАХАРОВ

УДК 622.272:550.34.05/.06(043.3)

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АНОМАЛЬНО-НАПРЯЖЕННЫХ ЗОН МЕТОДАМИ ШАХТНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Украинском государственном научно-исследовательском и просктно-конструкторском институте горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ).

Научный руководитель - докт. геол.-минерал.наук, проф. Н.Я.Азаров.

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук, проф. Б.С.Ватолин, канд.техн.наук Б.Е.Сидоров.

Ведущее предприятие - ИПКОН ^АН.

Автореферат разослан ¡У ' / 1995 г.

71 _1995 г.

Защита диссертации состоится V" Ц! 1995 г. в( час на заседании диссертационного совета Д. 135.05.03

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г Люберцы Московской области, ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь диссертационного совета проф., докт.техн.наук

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что в ближайшее десятилетие подземная добыча угля на шахтах России и стран ближнего зарубежья будет в основном обеспечиваться за счет работы ныне действующих шахт, горно-геологические условия залегания угольных пластов на которых усолжияются в связи с тем, что:

происходит переход на выемку нижележащих пластов, что приводит к необходимости ведения горных работ под целиками, оставляемыми на отработанных горизонтах;

горные работа смещаются на края шахтных полей, отрабатываются прикоатурные запасы и отдельные линзы;

вводятся в эксплуатацию шахтопласты с сильно развитой тектонической нарушениостыо;

ведется отработка угольных пластов под водными объектами, гражданскими и промышленными сооружениями.

Перечисленные факторы, осложняющие ведение горных работ, в подавляющем большинстве случаев являются основными причинами возникновения зон: повышенного горного давления (ПГД), трещиковатосги, опасных по внезапным выбросам угля и газа, опасных по прорывам воды в горные выработки.

Приближение горных работ к нарушению вызывает концентрацию напряжений между забоем и нарушением, что приводит к формированию благоприятных условий для инициирования газодинамических явлений и горных ударов. Поэтому при выборе рациональной технологии подземных горных работ, параметров и порядка отработки месторождений первостепенное значение имеет нетолько надежный прогноз горно-геологических условий залегания угольного пласта, его нарушенности, но и фундаментальные знания об исходном напряженном состоянии массива и его изменении в процессе ведения горных работ, особенностях свойств и структуры пород.

Современные геологические, геомеханические и геофизические методы прогнозирования нарушенности углепород-ного массива не обеспечивают необходимой надежности выявления и локализации аномально-напряженных зон. Одним из возможных путей повышения надежности прогнозирования таких зон угольного пласта и вмещающих пород является применение методов шахтной сейсморазведки, а также современных методов математического моделирования волновых полей и автоматизированной обработки для оценки информативных параметров отдельных типов волн и выбора оптимальной схемы проведения шахтных сейсмоисследований.

Таким образом, задача теоретического и экспериментального исследования влияния зон ПГД и зон трещиноватости на структуру полного волнового поля и параметры отдельных типов волн, а также разработка на этой основе информативных критериев и методики прогнозирования аномально-напряженных зон угольного пласта и вмещающих пород является актуальной.

Цель работы - установление закономерностей изменения структуры полного волнового поля и параметров отдельных типов волн при движении по углепородному массиву с различными типами нарушений, для разработки информативных критериев и методики прогнозирования аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки, повышающих эффективность и безопасность ведения горных работ на нарушенных угольных пластах.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения структуры волнового поля, а также кинематических и динамических параметров отдельных типов волн при распространении через аномально-напряженные зоны для разработки критериев и методики определения размеров и параметров исследуемых зон нарушенности углепородного массива. Научные положения, защищаемые в диссертации: сейсмогеологическая модель углепородного массива, учитывающая трещинную пористость угольного пласта и вмещающих пород;

математическое описание, способы и результаты расчетов процесса формирования и распространения полного волнового поля в углепородном массиве через аномально-напряженные зоны;

теоретические и экспериментальные зависимости между параметрамианомальио-напряженных зон и структурой волново-

го поля в целом, а также динамическими и кинематическими характеристиками отдельных типов волн;

информативные критерии выявления и определения основных параметров аномально-напряженных зон;

методику сейсмоакустичсского прогноза аномально-напряженных зон, основанную на использовании методов математического моделирования для предварительного исследования полного волнового поля с целью разработки эффективной методики проведения шахтных сейсморазведочных работ.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработано математическое описание влияния аномально-напряженных зон на переменые коэффициенты системы линейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих формирование и распространение волновых полей;

установлено оптимальное конечно-разностное разложение частных производных дифференциальных уравнений, позволяющее получить теоретическое волновое поле, близкое к реальному;

установлены теоретические и экспериментальные зависимости параметров боковых и каналовых волн от степени изменения эффективных модулей упругости в зоне и ее размеров;

установлены теоретические зависимости мощности отраженного сигнала от величины скачка эффективных модулей упругости углепородного массива на границах зон ПГД и зон трещино-патости;

теоретически и экспериментально обоснованы параметры системы шахтных сейсмоакустическах исследований при выделении и оценке параметров аномально-напряженных зон.

Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается:

высокой степенью надежности (0,93) применяемого метода математического моделирования, использованного в работе;

результатами комплексного экспериментального исследования влияния горного давления на параметры волнового поля при одновременном использовании метода сейсмоакустического просвечивания и метода скважинных деформометров;

высокой степенью надежности <0,95) прогнозирования аномально-напряженных зон методом сейсмопросвечивания и методом отраженных волн.

Практическое значение работы состоит в разработке на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований методики выявления и идентификации нарушенное™ угольного пласта (включая и аномально-напряженные зоны), что увеличивает надежность прогноза и тем самым создает дополнительные возможности для рационального планирования горных работ, эффективного применения высокопроизводительного очистного и проходческого оборудования и своевременного прогноза газодинамических явлений.

Реализация работы. "Комплект программ моделирования процесса распространения волнового поля в угленосной толще" зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. "Комплект программ обработки..." зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. Указанные комплекты программ внедрены в экспедиции "Печоруглеразведка" с подтвержденным экономическим эффектом 149,7тыс.руб. (»ценах 1991- 1992 гг.) при долевом участии автора 36%. В УкрНИМИ внедрена "Методика выявления аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки" с подтвержденным экономическим эффектом 4,368 млн.руб. (в ценах 1994 г.) при долевом участии автора 38 %.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Люберцы, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Молодые ученые - КАТЭКу" (г. Красноярск, 1988 г.), 10-м Всесоюзном научно-техническом семинаре "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических л гидрогеологических задач" (г. Москва, 1989 г.), 6-м Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (г. Новосибирск, 1991 г.), научно-технических советах УкрНИМИ.

Публикации. По результатам выполненых исследований опубликовано 13 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 131 страницу машинописного техс-та, 39 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 156 наименований и два приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Геомеханическне и геофизические методы оценки физико-механических свойств и напряженного состояния углепородного массива, требующие бурения скважин, имеют высокую трудоемкость, связанную со значительными энергетическими, материальными и трудовыми затратами на бурение, установку датчиков и оборудования. Вместе с тем получаемые результаты имеют точечный характер, а при площадной интерполяции или экстраполяции которых в пределах выемочного столба или отдельного блока шахтного поля могут возникать значительные погрешности.

Для получения интегральных оценок горно-геологического строения угольного пласта и вмещающих пород используются сей-смоакустические методы. Широкое распространение сейсмоа-кустические методы прогноза строения и нарушенности углепородного массива получили благодаря большому объему теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в этой области Л.М.Бреховских, Н.Я.Азаровым, И.И.Гурвичем, В.С.Ямщиковым, М.С.Анциферовым, Е.С.Ватолиным, П.Г.Гильберштейном, АЛЛевшиным и др.

Промышленное использование сейсмоакустических методов с целью выявления нарушенности угольных пластов впервые начали В.Е.Крупин и Т.Крей. Позднее эти работы в Подмосковном угольном бассейне продолжили и развили Ю.Г.Мясников, Ю.С.Исаев, а затем Н.Я.Азаров, Д.В.Яковлев, В.К.Поляков, Н.Н.Киселев, А.В.Анциферов, М.Г.Тиркель.

Исследования влияния физико- механических свойств, напряженного состояния и трещиноватости массива горных пород на распространение упругих колебаний проводившиеся наряду с перечисленными авторами также Т.СЛТебедевым, Т.З.Вербицким, М.П.Вораловичем, А.И.Савичем, В.И.Коптевым, как в натурных, так и в лабораторных условиях позволили установить, что для некоторых типов пород увеличение пористости до 20% снижает скорость продольных волн на 30%, а вязкость на 20% и увеличивает коэффициент затухания в 3 раза. Наибольшие градиенты изменения эффективных модулей упругости горных пород наблюдаются в диапазоне низких и средних давлений <20150 МПз). Наиболее близкими к реальным условиям являются математические модели, разработанные на базе теории Эшелби о поведении двухкомпонентной среды при статической нагрузке и теории Френкеля-Биоо распространении упругих воли в двухфазной пористой среде.

Несмотря на серьезные успехи применения сейсмо-акустического метода при прогнозировании горно-геологических условий залегания угольных пластов, имеется и ряд недостатков, снижающих его надежность и эффективность. В настоящее время надежность его применения для прогнозирования сложных горногеологических ситуаций (комбинация нарушений из зон ПГД и зон трещиноватости, изменение литологии и напряженно-деформированного состояния) не превышает 70%. Это связано с многообразием геологических и физико-механических факторов влияющих на формирование и распространение полного волнового поля, а также с отсутствием возможности проведения оперативной предварительной оценки структуры и параметров волнового поля в конкретных геологических условиях теоретическими методами. Кроме того, недостаточная теоретическая изученность влияния зон ПГД, зон трещиноватости и ряда других нарушений на структуру полного волнового поля и параметры отдельных типов волн снижают достоверность интерпретируемых нарушений. Это выражается либо в прогнозировании ложных (отсутствующих) аномалий, либо в пропуске реально присутствующих аномалий.

Анализ теоретических и экспериментальных разработок в области использования сейсмоакустического метода прогноза строения и нарушенности углепородного массива позволил определить цель диссертационной работы, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать обобщенную сейсмогеологическую модель, учитывающую зоны ПГД и зоны трещиноватости.

2. Разработать математическое описание процесса формирования и распространения полного волнового поля в углепород-ном массиве при наличии зон ПГД и зон трещиноватости и установить оптимальное конечно-разностное разложение частных производных исходных дифференциальных уравнений.

3. Разработать систему алгоритмов и программное обеспечение для расчетов теоретических волновых полей в сложных горно-геологических условиях.

4. Установить зависимости между структурой волнового поля, кинематическими и динамическими параметрами отдельных типов волн и параметрами и типом нарушений.

5. Установить информативные критерии выявления и определения основных параметров аномально-напряженных зон, повышающие разрешающую способность сейсмоакустического метода при прогнозе нарушенности углепородного массива.

6. Разработать методику определения типа и парметров аномально-напряженных зон сейсмоакустическим методом.

Анализ теоретических исследований в области динамической теории упругости массива горных пород показал, что математическая модель распространения упругих колебаний в горном массиве адекватно описывается с помощью системы дифференциальных уравнений, полученной Био, и вытекающей из теории инкрементальных деформаций. За основу в данной работе была взята система линеаризованных дифференциальных уравнений в частных производных, опубликованная в работе ЬТоЫоу. Адаптация к шахтным условиям применения сейсмоакустическо-го метода привела к следующей системе уравнений: для волн Р, БУ и Релея

З2" л. <1 а ^ ей _ 9 / ди\ , д2 ч , д /ди\ дн> %

для волн SH и Лява

|®

roe и, w,v- величина смещений колебательного процесса по х, z и у -координате соответственно; g - ускорение свободного падения; р - диссипативный коэффициент затухания в зоне вязкости.

Коэффициенты правых частей приведенных уравнений представляют собой функции модуля сжатия А, модуля сдвига ц и плотности горной породы/Э и имеют вид

a = (2/í +Xyp¡ 6 = (А+/*У/Э; c**fi/p. (3)

Проведеиныйаналнз показал, что зависимости (3) передают только влияние упругих деформаций на физико-механические свойства пород, а следовательно, не учитывают трещинную пористость горных пород и не передают влияния неупругих деформаций на эффективные модули упругости и параметры колеба-

тельного процесса, которое при подземной разработке угольных месторождений составляет 90%.

Для учета влияния неупругих деформаций (закрытие трещин и пор под действием горного давления) константы А и Ц из зависимостей (3) представляются в виде

И =Иа (1 + А"); А ~Х0 (1 + АА), (4)

где /г0 , А0 - модули упругости в естественном, (ненарушенном) состоянии горного массива; А/г, АА - корректирующие добавки, учитывающие влияние пористости, трещииоватостн, величины напряжений на модули упругости.

Величины Д/* и АА, как показывают исследования, могут быть вычислены по следующим формулам:

ДА = /й/(я); Л/* = /^/(л),

где КХ, К^- коэффициенты, учитывающие форму трещин и пор; при этом предпологается, что трещиноватость описывается системой хаотически расположенных пересекающихся эллипсоидальных микротрещин, параметры которых распределены по нормальному закону; /(#) - функция, определяющая влияние концентрации трещин и пор на корректирующие добавки и учитывающая влияние горного давления на эффективные модули упругости.

Коэффициенты КХ и К^ могут быть определены с учетом работ М.П.Боларовича, Т.З.Вербицкого и др. из выражений:

_ 16(1 -У2) , „ _32 (1 —V)(5 —У)

АЛ~ЗЯ(1 -2У)' 15Л (2-V) •

где V - коэффициент Пуассона горной породы.

Функция / (Я) может быть представлена в виде

/(П)-е~п ~е~по,

где Я - текущая трещинная пористость горной породы; П0 - трещинная пористость горной породы при гидростатическом давлении в ненарушенном состоянии.

Таким образом, в модифицированной постановке задачи упругие константы Ц и А, входящие в уравнения (1) и <2), на первом этапе вычисляются исходя из моделируемых величин пористости, трещнноватости и горного давления, существующих в анали-зируемой модели. Только после получения значений эф-

фективных упругих констант, допустимо использование коэффициентов (4) в уравнениях (1) и (2).

Реализация конечно-разностного метода потребовала введения зоны вязкости по схеме, предложенной в работе M.Korn, H.Stock и поиска оптимального представления правых частей системы (1) в конечных разностях. Тестовые расчеты показали, что наиболее приемлемым следует считать разложение, используемое в консервативных разностных схемах с переменными и кусочно-непрерывными коэффициентами. Для одной из частных производных оно выглядит в виде

Полученные по приведенной методике конечно-разностные аналога уравнений (1) и (2) преобразованы по явной схеме в систему алгебраических уравнений и явились основой разработанного программного обеспечения, позволяющего моделировать волновые процессы в углепородных массивах.

С учетом особенностей выбранного математического аппарата моделирования разработана схема расчетов полного волнового поля в горном массиве с нарушением и изменением физико-механических свойств пород.

Проведение тестовых расчетов на моделях с известным геологическим строением и наличием экспериментальных сейсмо-разведочных материалов показало, что теоретические волновые картины близки к реальным. Варьирование такими параметрами функции источника, как исходный диапазон частот и ширина спектра позволяет добиться высокой точности совпадения теоретических и экспериментальных материалов. Так, при правильном задании геометрических размеров, физико-механических свойств модели и функции источника, теоретические сейс-мотрассм передают:

скорости первых вступлений волновых пакетов с погрешностью 1-2%;

скорости максимумов огибающих волновых пакетов с погрешностью 3-4 %;

длительность волновых пакетов с погрешностью 3-4%;

форму амплитудного спектра и его частотный состав различных типов волн с погрешностью 7-9%.

Амплитуда, как известно, находится в экспоненциальной зависимости от коэффициента диссипативного затухания и поэтому только при установлении взаимосвязи задаваемого в модели и реального коэффициента затухания можно судить о близости получаемых результатов. В данной работе амплитуда анализировалась по методике с предположением, что зависимость амплитуды А от коэффициента затухания р¿ф может быть представлена в виде

А=А0е-Рэф(?)Ь\

где А0 - амплитуда волны, получаемой в модели без затухания;

(0 ~ коэффициент диссипативного затухания на 1-м участке

сейсмического луча; С - длина сейсмического луча; Ц - длина 1-го участка сейсмического луча. '

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили выделить ряд закономерностей во влиянии аномально-напряженных зон на проходящее и отраженное волновое поле и сформулировать критерии прогноза данного типа нарушений в плане выемочных столбов.

Как показывают экспериментальные исследования, под действием сжимающей составляющей горного давления происходит закрытие трещин, вызывая при этом увеличение модулей упругости угля и вмещающих пород. В большей степени действию горного давления подвержен угольный пласт, так как уголь зачастую имеет более высокую трещинную пористость и пластичность по сравнению с вмещающими породами. Такой механизм влияния горного давления на физико-механические свойства углепородного массива приводит, с одной стороны, к увеличению акустической жесткости угля и вмещающих пород, а с другой - к снижению резкости акустических границ, так как акустическая жесткость угля возрастает под действием горного давления наиболее интенсивно.'

Сейсмоакустические исследования влияния зон опорного давления на параметры боковых и каналовых волн, проведенные на ряде объектов, показывают их тесную взаимосвязь. Так,

максимумы опорного давления, зафиксированные с помощью скважинных деформометров, с точностью 80-90% совпадают с результатами сейсмоисследований. Наиболее информативным параметром является максимум модуля амплитуды волнового пакета. Его увеличение, на некоторых объектах, достигает 3,5 раз. Однако данный параметр имеет значительный статистический разброс (30-50%), который определяется динамическим диапазоном сейсмостанции, типом и качеством установки сейсмо-приемников, условием возбуждения упругих колебаний, частотным спектром источника.

Наименее информативным, хотя и наиболее стабильным, является скорость первых вступлений боковых Б-волн. Данный параметр по результатам экспериментов имел максимальные положительные отклонения в пределах 10%. Максимальные отклонения скорости Р-волн составили 15-17%.

Исследования влияния комбинации нескольких нарушений на параметры боковых и каналовых волн свидетельствуют о том, что прогнозированию аномально-напряженных зон обязательно должно предшествовать выделение участков угольного пласта с такими нарушениями, как зоны смены литотипа, тектонические нарушения, утонения, карсты, мульды. При дальнейшем анализе экспериментального материала участки с перечисленными нарушениями исключаются из обработки и интерпретации.

Шахтные сейсмоисследования с целью прогнозирования Аномально-напряженных зон с помощью отраженных волн подтверждают теоретические предпосылки о наибольшей информативности каналовых волн Лява.

По результатам исследования х информативным параметрам, по которым следует проводить выявление аномально-напряженных зон при сейсмопросвечивании относятся:

скорость первых вступлений волновых пакетов всех типов

волн;

скорость максимумов огибающих волновых пакетов всех типов волн;

разность времен прихода боковых Р-н БУ-волн на X - и ¿-компонентах;

длительность волновых пакетов всех типов боковых волн; частота максимума амплитудного спектра волновых пакетов всех типов волн;

амплитуда волновых пакетов всех типов волн.

Информативные параметры проходящего волнового поля с ростом горного давления изменяются следующим образом:

1) скорость первых вступлений всех типов боковых волн возрастает адекватно росту модулей сжатия и сдвига соответствующих вмещающих пород и считается информативной при увеличении более чем на 5% от фоновых, но не более 30%;

2) скорость максимумов огибающих волновых пакетов также возрастает и зависит от степени влияния горного давления на модули упругости и резкость акустических границ. Факт опережения роста скорости максимумов огибающих волновых пакетов по отношению к росту скорости первых вступлений свидетельствует о снижении резкости акустических границ породивших анализируемый волновой пакет. Параметр считается информативным при увеличении более чем на 5% от фоновых, но не более 40%;

3) скоростные параметры боковых воли в порядке уменьшения информативности располагаются в следующей последовательности: Р -волны, -полны, 5 Г-волны;

4) скорость каналовых волн также имеет тенденцию к росту. Однако, как показывают исследования, под действием горного давления рост скорости каналовых воли не подчиняется определенной закономерности. Кроме того, каналовые волны могут как исчезать, так и формироваться, что свидетельствует о многопараметрической зависимости условий их возникновения;

5) длительность волновых пакетов боковых волн уменьшается. Величина снижения считается информативной при уменьшении более чем на 5% и может достигать 50-60%. Этот факт объясняется снижением резкости акустических границ, увеличением акустической жесткости пород, уменьшением коэффициента диссипатнвного затухания;

6) разность времен прихода первых вступлений и максимумов огибающих боковых Р- и ЯК-волн на X- и 2-компонентах возрастает и считается информативной при увеличении более чем на 5-7%. Максимальная величина параметра может достигать 20-25%;

7) частота максимума амплитудного спектра валковых пакетов возрастает и может достигать 30-35%. Параметр считается информативным при увеличении более чем на 7% от фоновых значений;

8) амплитуда волновых пакетов в зависимости от степени изменения коэффициента затухания возрастает от нескольких

десятков процентов до нескольких раз. Параметр считается информативным при увеличении более чем на 30% от фоновых значений;

9) аномально-напряженная зона, имеющая размер меньше длины сейсмического луча, на информативные параметры волнового поля оказыяает влияние, идентичное аномально-напряженной зоне, простирающейся по всему сейсмическому лучу. Поэтому прогноз размера локальной аномально-напряженной зоны должен производиться с привлечением методических приемов съемки и обработки (веерноесейсмопрссвечиванне, томографические методы восстановления параметров в плане выемочного столба).

Поиск зон ПГД и зон трещиноватоети методом отраженных волн, по результатам проведенных исследований, возможен при условии создания указанными нарушениями акустической границы, формирующей отраженное волновое поле мощностью, достаточной для регистрации используемой сейсмоакустической аппаратуры. Резкость акустической границы в данном случае определяется для зон ПГД как V0fV$, а для зон трещиноватоети как V}/ V0, где Vj и V0 - скорость Р -волн в нарушенном и ненарушенном участках угольного пласта.

Теоретические расчеты показали, что при максимально возможном положительном скачке скорости Р-воли угольного пласта в 30% в зоне ПГД, амплитуда отраженного сигнала Аот составляет: 9% для K-компоненты и 2% для Х-компонекты от падающего волнового поля Апа#.

Для зон трещиноватоети возможно получение отраженного сигнала амплитудой Лот до 60 % от амплитуды падающего волнового паля A^ß при наличии трещин с отсутствием контакта между отдельными блоками угля и вмещающих пород.

Разработанные критерии прогнозирования аномально-напряженных зон сейсмоакустическими методами сведены в табл. 1, 2,3.

Завершением работы явилась методика прогноза аномально-напряженных зон в плане выемочного столба при шахтных сейсмоакустических исследованиях, которая предусматривает проведение математического моделирования и анализа структуры поля на этапе разработки методики шахтных сейсмоисследований и этапе интерпретации результатов обработки экспериментальных материалов.

Критерии прогнозирования зон повышенного горного давления методом сейсмопросвечивания при различной исходной пористости угольного пласта

Тип информа- Исходная пористость угольного пласта П0, %

рия(максим, откл. в %) 2 5 10 20 30 40

Скорость боковых Р-волн, 10 12 16 22 28 36

Скорость боковых 8-волн, 4 7 9 12 15 20

Скорость волн Лява, 5 8 И 15 19 25

Длительность боковых Р-волн, 8 10 , 13 18 26 30

Длительность боковых 5-волн, —Дтр* 16 25 32 41 50 60

Длительность роли Лява, —Дтуш* 10 15 21 27 32 40

Частота боковых Р-волн, +Д/]Ра* 10 13 18 22 26 31

Частота боковых Б-волн, а 11 15 19 25 28

Частота волн Лява, +^Урвх 10 15 20 23 26 35

Амплитуда боковых Р-волн, 50 70 100 130 150 180

Амплитуда боковых $-волн, ♦Д4у>м 80 110 130 170 220 250

Амплитуда волн Лява, +Д|4ра* 100 150 210 260 320 350

Критерии оценки амплитуды отраженною сигнала для зон повышенного горного давления в условных едшпщах

Относительная амплитуда Аот^АпаО Резхость отражающей границы Уд/У^, уел ед.

0,7 0,8 0,9 0,95 1,0

Боковые Р-волны 0,01 0,007 0,003 0,001 0,0

Боковые ЗУ-волны 0,025 0,015 0,08 0,005 0,0

Боковые БН-волим 0,06 0,04 0,02 0,01 0,0

Волны Лява 0,09 0,065 0,03 0,02 0,0

Таблица 3

Критерии оценки амплитуды отраженного сигнала для зон трещиноватости в условных едгашцах

Относительная амплитуда лот!Атд Резкость отражающей границы усл. ед.

0,1 0,2 0,4 0,6 0,8

Боковые Р-волны 0,5 0,24 0,12 0,05 0,02

Волны Лява 0,55 0,35 0,18 0,1 0,05

Боковые БН-волны 0,6 0,48 0,27 0,15 0,08

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача, а именно: разработаны информативные критерии и методика прогнозирования аномально-напряженных зон и определения их параметров с использованием современных методов математического моделирования волновых полей и информативных параметров боковых и каналовых волн, получаемых сейсмоакусти-ческими методами, что позволяет повысить надежность шахтной сейсморазведки и обеспечить заблаговременный выбор оптимальной технологии подготовительных и очистных работ на нарушенных и опасных по газодинамическим проявлениям участках шахтного поля. ' ' Основное содержание работы:

1. Разработана сейсмогеологическая модель углепородного массива с нарушением типа "аномально-напряженная зона", учитывающая наряду с известными характеристиками (скорости Р- и В-волн, плотности и геометрические размеры угольного пласта и вмещающих пород) трещинную пористость угольного пласта и вмещающих пород и позволяющая разработать информативные критерии и методику эффективного прогнозирования данного типа нарушенности.

2. Разработано математическое описание процесса формирования и распространения полного волнового поля в углепород-ном массиве, учитывающее концентрацию напряжений и трещиноватости горных пород за счет введения в систему дифференциальных уравнений переменных эффективных модулей упругости, зависящих от пространственных координат, трещинной пористости и степени концентрации горного давления, позволяющее провести теоретические исследования влияния аномально-напряженных зон на структуру волновых полей и параметры отдельных типов волн.

3. Установлено оптимальное конечно-разностное разложение частных производных дифференциальных уравнений, приводящее при математическом моделировании колебательного процесса к формированию теоретических сейсмотрасс, которые передают: скорости первых вступлений волновых пакетов с погрешностью 1 -2 %; скорости максимумов огибающих волновых пакетов с погрешностью 3-4 %; длительность волновых пакетов с погрешностью 3-4%; форму амплитудного спектра и его частотный состав различных типов волн с погрешностью 7-9%.

4. Установлено, что наиболее сильное влияние горное давление сказывает на модули упругости угля (модуль всестороннего сжатия может возрастать на 85%, модуль сдзнга на 60%), что может приводить к снижению резкости акустических границ на 25%, увеличению акустической жесткости угля на 40% и вмещающих пород на 17%, изменению структуры полного волнового поля и отдельных типов волн.

5. Установлено, что в зависимости от типа горной породы, степени метаморфизма угля, а также от величины трещинной пористости, скорости продольных волн могут возрастать на 335%, а поперечных на 3-25% под действием горного давления. Коэффициент затухания может уменьшаться в несколько раз.

6. Установлено, что при максимально возможном скачке в сторону увеличения скорости Р-лолл в угольном пласте в 30% мощность отраженного сигнала составляет: 9% для У-компоненты и 2% для X -компоненты от падающего волнового поля.

Для зон трещиноватости возможно получение отраженного сигнала мощностью до 60% от падающего волнового поля при наличии трещин с отсутствием контакта между отдельными блоками угля и вмещающих пород.

7. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния аномально-напряженных зон на параметры боковых и каналовых волн и структуры полного волнового поля разработаны информативные критерии и методика сейсмо-акустическога прогноза данного типа нарушенное™ углепородно-го массива с надежностью не менее 0,90.

8. "Комплект программ моделирования процесса распространения полнового поля в угленосной толще" зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. "Комплект программ обработки..." зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ. Указанные комплекты программ внедрены в экспедиции "Печоруглеразведка" с подтвержденным экономическим эффектом 149,7 тыс.руб. (в ценах 1991-1992 гг.) при долевом участии автора 36%. В УкрНИМИ внедрена "Методика выявления аномально-напряженных зон методами шахтной сейсморазведки" с подтвержденным экономическим эффектом 4,368 млн.руб. (в ценах 1994г.) при долевом участии автора 38%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Использование динамических параметров интерференционных волн при прогнозе геологических нарушений угольного пласта // Науч. тр. - Тула: Подмосковный НИУИ и ИГД им. А.А.Скочинского, 1987. - Вып. 37. - С. 51-58 (соавторы В.Ф.Исаков, П.В.Шулицкин).

2. Комплекс программ для обработки на ЭВМ результатов пластовой сейсморазведки // Каталог программных средств / ГосФАП. - М. - 1987. - №ГР 50870000376 (соавторы А.В.Анциферов, М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский).

3. Цифровая обработка результатов шахтной сейсморазведки на основе комплексного использования параметров проходящих волн // Повышение надежности и качества технологических процессов в угольной промышленности: Тез. докл. / ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 1987. - С. 110-111 (соавторы М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский).

4. О состоянии и направлении научно-исследовательских работ в области шахтной сейсморазведки. - Новомосковск: ПНИУИ. - 1988. - Деп. в ЦНИЭИуголь 23.03.88. - №4472-уп.88. -13 с. (соавторы М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский, Т.А.Щеголева).

5. Пакет программ для обработки на ЭВМ данных шахтной сейсморазведки. - ВНИИУуголь, ОФАП, ИМ 49, - М., 1988 (соавторы A.B. Анциферов, М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский).

6. Комплексное использование параметров волнового поля при прогнозе нарушенности угольного пласта // Технология разработки и прогнозирования горно-геологических условий залегания угольных месторождений Подмосковного бассейда: Сб. науч. тр. / ИГД им. А,А.Скочинского, ПНИУИ. - Тула, 1988,-С. 70-76 (соавторы М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский).

7. Исследование влияния наведенной анизотропии гарного массива на сейсмоакустические волновые поля SH-лоляриззции / / Всесоюз. науч.-техн. комф. "Молодые ученые - КАТЭКу": Тез. докл. / КАТЭКНИИуголь. - Красноярск, 1988. -С. 96-97 (соавторы М.Г.Тиркель, С.В.Чеславский).

8. Прогноз напряженного состояния угольного пласта методом шахтной сейсморазведки // 10^й Всесоюз. науч.-техн. семинар "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач": Тез. докл. - М., МГУ, 1989, - С. 116-117.

9. Определение типа и параметров геологических нарушений угольных пластов с использованием шахтной сейсморазведки // Совершенствование технологии горных работ и про-

пгазирования условий залегания угля на шахтах Подмосковного бассейна: Сб. науч. тр. / ИГД им. А.А. Скочинского, ПНИУЙ. -Тула, 1989. - С. 68-73 (соавторы М.Г.Тиркель, Л.И.Королева).

10. Комплекс программ моделирования процесса распространения сейсмических волн в угленосоной толще / / Каталог программных средств / ГосФАП. - М., 1991. - №ГР 50910000379 (соавторы А.В.Анцнферов, А.А.Глухов и др.).

11. Математическое моделирование сейсмоакустических волновых полей в тектонически нарушенном массиве горных пород с учетом компонент тензора напряжений // б-й Всесогоэ. семинар "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород": Тез. докл. / ИГД СО АНСССР. - Новосибирск, 1991. - С. 75-76 (соавторы Н.Я.Азаров, А.А.Глухов).

12. Моделирование волнового поля в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей // Горный вестник. -1994. - №2. - С. 16-18 (соавторы А.Д.Рубан, А.А.Глухов).

13. Анализ решения прямой задачи при сейсмопросвечи-ваниинарушенногоуголепородногомассива // Науч.сообщ, ИГД км. А.А. Скочинского, вып. 300. - М., 1994. - С. 55-62 (соавторы А,Д.Рубап, А.А.Глухов).