автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка геофизического метода установленияпотенциально выбросоопасных зон тектоническихнарушений угольных пластов шахт Кузбасса

РГВ од

2 2 ДЕК 71П

На правах рукописи

ПОТАПОВ ПРОКОПИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

Разработка геофизического метода установления потенциально выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов шахт Кузбасса

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена в Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ). Научный руководитель: доктор технических наук

Зыков Виктор Семенович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Егоров Петр Васильевич кандидат технических наук Лазаревич Тамара Ивановна

Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество «Угольная компания Кузбассуголь».

Защита состоится 2000 т. в /а час.

на заседании диссертационного совета К 135.02.01 при Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ) по адресу:

650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 42430, электронный адрес ВостНИИ: vostnH@kcmnct.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВостНИИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан ^ ^-/t>Jc~S)c (_2000 г.

Ученый секретарь , //_ ЛИ ХИ УН

диссертационного совета, кандидат технических наук

И181.11-1с5ь1,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разрабатываемые в настоящее время угольные пласты шахт Кузбасса характеризуются высокой газодинамической активностью. В настоящее время разрабатываются 52 опасных и 118 угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа шахгопластов. В условиях потенциальной или фактической выбросоопасности ведут горные работы половина шахт Кузбасса На шахтах бассейна, начиная с 1943 г., зарегистрировано 190 внезапных выбросов угля и газа. Учитывая, что каждый внезапный выброс, даже небольшой по мощности, может привести к катастрофическим последствиям, проблема борьбы с этими явлениями - одна го важнейших в области безопасности угольных пихт.

К настоящему времени разработан комплекс мер по предупреждению внезапных выбросов угля и газа при ведении горных работ. Но наиболее слабым местом в этом комплексе мер является прогнозирование выбросоопасных участков пластов в выемочных столбах впереди очистных забоев.

Регламентированный нормативными документами прогноз выбросоопасности в очистных забоях по результатам текущего прогноза при проведении оконтуривающих выемочный столб выработок не позволял определять границы зон вне контура этих выработок К тому же внедряемое активно применение ограяодзющей дегазации при проходке выработок влияет на результаты текущего прогноза, по которым уже нельзя судить о потенциальной выбросоопасности зон пластов. На шахтах Донбасса в очистных выработках должен выполняться прогноз выбросоопасности с помощью контрольных шпуров, которые должны буриться через каждые 10 м по длине забоя и в каждом из которых на интервалах 1,0-1,5; 2,0-2,5; 3,0-3,5 м должны производиться измерения начальной скорости газовыделения после осуществления их герметизации. Это делает прогноз выбросоопасности тормозом, недопустимым при ведении добычных работ на современных рентабельных шахтах.

Кроме того, прогноз данным методом позволяет судить лишь о выбросоопасности пласта в окрестности забоя выработки, что не даёт возможности применить предварительную региональную противовыбросную обработку выбросоопасных зон пласта и вынуждает использовать локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа, приводящие к простоям забоя.

Тот же недостаток присущ и применяемым в Донбассе сейсмоакустическим методам.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИИ 1994-1999 гг., являвшимися составными частями отраслевого плана научных исследований Минуглепрома СССР, а в дальнейшем - отраслевой научно-технической программы "Уголь России". В рамках этих программ автор принимал участие в выполнении 4 работ в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.

Целью настоящей работы является разработка геофизического метода установления потенциально выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов шахт Кузбасса.

Идея работы состоит в использовании экспериментально установленных отличительных особенностей физических свойств сформированных при сдвиговых деформациях зон углепородного массива с высокой газодинамической активностью для разработки критериев и метода установления потенциально выбросоопасных участков пластов.

Задачи исследований:

- проанализировать условия образования и сформулировать геолого-физическую модель выбросоопасных зон, приемлемую для их выявления геофизическими методами;

- разработать методику и пакет программ обработки данных сейсмо- и электроразведки с целью выявления зон тектонических нарушений угольных пластов;

- исследовать связь геофизических параметров с газодинамической активностью угольных пластов;

- разработать метод установления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов на основе геофизических измерений.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы экспериментальные методы исследований в шахтных условиях с применением современной измерительной аппаратуры и ЭВМ, а также аналитический метод, включающий в себя научное обобщение и анализ шахтных геофизических исследований, проведенных в Кузбассе за период с 1976 по 1999 годы.

Объектами исследований являются выемочные поля на шахтах, разрабатывающих опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа угольные пласты.

Научные положения, представленные к защите:

- комплексом шахтных геофизических методов сейсморазведки и электроразведки с высокой степенью надёжности выявляются потенциально выбросоопасные зоны тектонических нарушений в выемочных полях;

- потенциально выбросоопасные зоны тектонических нарушений в выемочных столбах характеризуются резким изменением физических параметров - электросопротивления, скоростей углепородных и каналовых волн, участков поглощения энергии;

- потенциально выбросоопасными являются зоны пластов, в пределах которых отмечаются аномалии с пониженными более чем в два раза значениями электросопротивлений (разности потенциалов) в дипольных методах шахтной электроразведки и пониженными значениями скоростей каналовых волн не менее чем на 20 % и углепородных волн не менее чем на 10 % по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу, и зоны пластов, в пределах которых отмечаются изменения коэффициента затухания для каналовых волн, полученного из разложения, предложенного Прони, не менее чем в три раза по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу;

- наиболее опасными при отработке угольных пластов являются границы аномальных зон, характеризующиеся резким скачком физических свойств угля и вмещающих пород.

Научная новизна работы:

- сформулирована геолого-физическая модель зоны угольного пласта, опасной по газодинамическим явлениям;

- доказана возможность использования разложения и фильтраций по методу Прони для данных шахтной сейсморазведки для получения более узкополосных временных разрезов, позволяющих точнее определить положение участков с высоким поглощением энергии и соответственно точнее устанавливать границы потенциально выбросоопасных зон;

- установлены информативные критерии выявления потенциально выбросоопасных зон по значениям электросопротивлений (разности потенциалов),

значениям скоростей каналовых волн по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу;

- впервые в Кузбассе использованы методы томографии в шахтной электроразведке.

Достоверность научных положений подтверждается:

- применением аналитического и экспериментального методов исследований, включающих научный анализ, обобщение и объяснение;

- представительным объёмом экспериментальных наблюдений (более 200 выемочных столбов, в которых проведены шахтные геофизические исследования);

- соответствием полученных критериев оценки выбросоопасности фактической опасности зон пластов;

- положительными результатами промышленной проверки и внедрения метода выявления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода выявления потенциально выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов в пределах подготовленных к выемке запасов по результатам шахтной сейсморазведки и электроразведки. Важными для практики результатами являются повышение достоверности прогноза по сравнению с ранее применявшимися методами, а также исключение простоев очистных забоев при выполнении прогноза.

Реализация работы. С использованием научных результатов и практических рекомендаций, полученных в процессе диссертационных исследований, разработано три действующих отраслевых и региональных нормативно-методических документа. Методы, способы, технологические схемы и критерии, регламентированные указанными нормативно-методическими документами, прошли промышленные испытания и внедрены на угольных шахтах Кузбасса. Их применение позволяет повысить безопасность горных работ ниже критической выбросоопасной глубины разработки, сделать более технологичными меры по прогнозу и предупреждению газодинамических явлений и получить значительный экономический эффект.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ВостНИИ

(1994-2000), научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1994), научно-технической конференции "Субъекты Российской Федерации в условиях реформ"(Томск, 1994), II Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1998).

Публикации. Результаты диссертационных исследований содержатся в 10 опубликованных работах, включая три отраслевых и региональных нормативно-методических документа, статьи, тезисы докладов.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 140 страницах, содержит 32 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 110 источников и 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы докт.техн.наук Зыкову B.C. за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов, а также своим коллегам по работе (канд.техн.наук Рудакову В.А.; канд.техн.наук Славолюбову В.В. инж. Крючкову В.И., геофизикам Гриценко С.А., Ларкину Г.В.), оказавшим помощь в проведении экспериментальных исследований, проверке, развитии и реализации научных разработок, выполненных в процессе подготовки диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе выполнен анализ состояния вопроса по прогнозу вы-бросоопасности угольных пластов в пределах подготовленных к выемке запасов впереди очистного забоя.

Отмечено, что в качестве рабочей гипотезы при разработке методик прогноза выбросоопасности угольных пластов многие исследователи принимают положение, предложенное акад. A.A. Скочинским и развитое в работах В.В. Ходота, А.Э. Петросяна, Б.М. Иванова, О.И. Чернова, В.И. Му-рашева, В.Н. Пузырева, B.C. Зыкова и других ученых, о том, что выбросо-опасность угольных пластов обусловлена сложным взаимодействием природных факторов (напряженное состояние массива, газофильтрационные и физико-механические свойства угля) с технологическими факторами,

а формирование выбросоопасных условий происходит под влиянием горного давления в геологических средах, характеризующихся изменчивостью свойств и напряженно-деформированным состоянием.

Анализ геологических условий проявления внезапных выбросов позволил А.Я. Бовсуновской, JI.H. Быкову, B.C. Вереде, Н.Е. Волошину,

A.Э. Петросяну, В.А. Шатилову, И.Л. Эттингеру и другим исследователям установить, что в угольных пластах имеются зоны повышенной тре-щиноватости, где уголь природой подготовлен к внезапным выбросам. В результате такой "подготовки", происходящей при формировании тектоники месторождения, в некоторых зонах создались особые характерные пористость и трещиноватость, вызывающие очень быстрое газовыделение из угля.

Теория газодинамических явлений, необходимые и достаточные условия возникновения и развития внезапных выбросов рассмотрены в работах JI.H. Быкова, Г.И. Грицко, В.Н. Вылегжанина, П.В. Егорова, Б.М. Иванова, В.И. Мурашева, В.И. Николина, А.Э. Петросяна, И.М. Пе-тухова, A.M. Линькова, В.В. Ходота, С.А. Христиановича, О.И. Чернова,

B.Н. Пузырева, Г.А. Шевелева, И.Л. Эттингера и других ученых. Общим выводом всех теоретических исследований является предположение о том, что все внезапные выбросы угля и газа происходят при наличии в пласте потенциально выбросоопасных перемятых пачек угля, имеющих структуру от брекчиевидной до землистой и характеризующихся высокой скоростью десорбции газа при разрушении угля, низкой прочностью, повышенной пористостью и трещиноватостью. При проведении по такому пласту выработки впереди забоя присутствует зона интенсивного развития квазипараллельных забою систем трещин, заполненных свободным газом под давлением. На значительных глубинах с высокими величинами напряжений в массиве и газового давления в этой зоне создаются высокие активные силы за счёт давления свободного газа на стенки квазипараллельных забою систем трещин, которые при превышении их над противодействующими силами сцепления угля приводят к развязыванию внезапных выбросов угля и газа.

Анализ материалов по внезапным выбросам угля и газа на шахтах Кузбасса показал, что выбросоопасные зоны приурочены к тектоническим нарушениям различного характера. В шахтах "Северная" и

"Ноградская" (140 случаев на 23 участках пластов) выявлено:

- опасных участков, связанных с дизъюнктивными нарушениями,

- 70%, из них 13% приурочены к плоскостям сместителей дизъюнктивов и 57% - к областям, располагающимся ниже плоскостей сместителей дизъюнктивов;

- опасных участков, связанных с крупными пликативными нарушениями типа закрытых антиклинальных складок-26%, из них 17% к этим нарушениям приурочены непосредственно, а 9 % располагаются ниже оси антиклинальной складки.

Так как региональный прогноз потенциальной выбросоопасности угольных пластов производится по существующей сети разведочных скважин, а прогнозируемые выбросоопасные зоны имеют незначительные размеры, то вероятность подсечения выбросоопасных зон имеющейся сетью геологоразведочных скважин очень низкая, привлечение полевых и сква-жинных электроразведочных и сейсморазведочных геофизических методов позволило несколько повысить полноту разведочных данных. Однако методы полевой геофизики обладают недостаточной для этих целей разрешающей способностью, а интерполяция и экстраполяция данных каротажа скважин приводит к значительным ошибкам в определении параметров нарушений. Повышение разрешающей способности и детальности исследований оказалось возможным за счет перенесения источников и приемников исследуемого физического поля во внутренние точки изучаемой среды

- в угольный пласт.

Особенностью методов шахтной сейсморазведки является то, что сейсмические колебания приходят в точку наблюдений не из полупространства, а распространяются по угольному пласту, при этом основную полезную информацию несут интерференционные каналовые волны поляризации Ре-лея и Лява и параметры "углепородных волн".

Методы шахтной геофизики в СССР начали разрабатываться в начале шестидесятых годов с исследований для сейсморазведки, выполненных в ВостНИИ на шахтах Кузбасса Крупиным В.Е. для выделения участков угольных пластов, интенсивно трещиноватых, перемятых, потенциально опасных по выбросам угля и газа. Им написана методика выявления

разрывных нарушений на шахтах Кузбасса для аналоговой аппаратуры. Впервые теоретически обосновал и практически доказал возможность использования каналовых волн Т. Крей.

В дальнейшем возможности метода шахтной сейсморазведки разрабатывались Азаровым Н.Я., Исаевым Ю.С., Поляковым В.К., Киселевым H.H., Рубаном А.Д., Яковлевым Д.В., Ямщиковым B.C. и другими.

Методы подземной электроразведки стали развиваться с 60-х годов. В шахтной электроразведке нашли широкое применение электрическое зондирование, электропрофилирование и электропросвечивание. Развитие теории и практическое использование метода связано с работами Хмелев-ского В.К., Савенкова Н.И., Мясникова Ю.Г., Матюшечкина В.Ф., Баженова А.М., Колчина Г.И., Исаева Ю.С. и др.

Методами шахтных сейсморазведки и электроразведки в настоящее время решаются задачи прогноза различных типов нарушений угольных пластов. Однако достоверность методов сейсморазведки и электроразведки остается невысокой и составляет соответственно 63 и 65 %.

Развитие угольной промышленности и повышение глубин отработки угольных пластов привело к более высоким требованиям шахт к качеству прогноза тектонической нарушенное™ и потенциальной выбросоопасно-сти подготавливаемых выемочных полей.

Для удовлетворения этих требований возникла необходимость сформулировать геолого-физическую модель выбросоопасной зоны тектонических нарушений и на ее основе пересмотреть методы для повышения точности прогнозов тектонической нарушенности, создать пакет программ, учитывающий новые разработки в области обработки цифровых сигналов.

В соответствии с вышеизложенным была сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.

Во втором разделе на основе анализа отличительных особенностей зон высокой газодинамической активности предложена геолого-физическая модель данной зоны.

Внезапные выбросы угля и газа происходят в зонах нарушенных углей (трещиноватых или перемятых), приуроченных к местам распространения пликативных и дизъюнктивных нарушений. Структура угля здесь может быть мелкокусковатой, брекчиевидной, линзовидной, землисто-зернистой, землистой (II-V степени нарушенности угля).

Мощность перемятой нарушенной пачки угля, формирующей выброс, составляет от 20 см и выше. С увеличением мощности и числа перемятых пачек уменьшается устойчивость пластов и увеличивается опасность по выбросам.

В тектонически нарушенных углях крепость его снижается с увеличением интенсивности трещиноватости. Значения коэффициента крепости угля Г для опасных и неопасных по выбросам участков изменяются в широких пределах. Потенциально выбросоопасными считаются участки пластов с 1™ < 0,54. При ^ от 0,54 до 1,52 участки пластов могут быть опасными и не опасными, при ^ > 1,52 - участки не опасны по выбросам.

Анализ физических свойств показал, что в таких зонах возможны уменьшения скорости сейсмических волн в два раза, но в большей степени будут искажаться динамические параметры типа затухания. При интенсивной трещиноватости угля и пород существенно снижается и их электрическое сопротивление.

Проведён анализ физических основ шахтной электро- и сейсморазведки. На основании проведённого анализа сделан вывод о возможности более точного выявления потенциально выбросоопасных зон шахтными методами сейсморазведки при развитии более тонких методов цифровой обработки сейсмических сигналов, то есть в соответствии с физической моделью выбросоопасной зоны при её выявлении целесообразно использовать динамические параметры сейсмических волн, в большей степени зависящие от поглощающих свойств среды, и применять для обработки материалов шахтной сейсморазведки высокочастотные узкополосные разрезы с целью разделить волны, проходящие по кровле, почве и угольному пласту.

Исходя из возможности выражения всего многообразия горногеологических условий через соотношение кажущихся электрических сопротивлений слоистой среды, представляется перспективным использование электрометрического метода при выявлении выбросоопасных зон. Для наиболее точного разграничения опасных и неопасных зон целесообразно использовать экваториально-дипольные модификации электроразведки. Данные, полученные экваториально-дипольными методами, позволяют применять методы томографии для их обработки и более точно отображать границы аномальных зон.

В третьем разделе изложены результаты анализа шахтных геофизических исследований, проведённых ранее с 1976 по 1993 годы по методикам ВНИИГИС и ВНИМИ для выявления нарушенное™ морфологического залегания угольных пластов на шахтах Кузбасса, а также результаты дополнительных исследований, проведенных с целью создания методики выявления выбросоопасных зон в выемочных полях шахт Кузбасса.

Анализ результатов шахтной сейсмо- и электроразведки работ приведен в табл. 1.

Таблица 1

Результаты исследований шахтными геофизическими методами выемочных столбов за период с 1976 по 1993 гг.

Геофизический метод Объект исследований Число Процент

Сейсморазведка Выемочные столбы 221 100

Лавы, где прогноз ненарушенное™ подтвердился полностью 198 90

Лавы, где прогноз нарушенное™ подтвердился полностью 132 60

Лавы, где прогноз нарушенное™ не подтвердился 33 15%

Лавы, где прогноз нарушенное™ подтвердился частично (были ошибки определения положения нарушения в плане и в определении типа нарушения) 55 25

Электроразведка Выемочные столбы 97 100

Лавы, где прогноз нарушенное™ подтвердился полностью 63 65

Количество лав, где прогноз нарушенное™ не подтвердился 0

Лавы, где прогноз нарушенное™ подтвердился частично 34 35

Критерии выделения нарушенных зон приведены в табл. 2.

Таблица 2

Критерии выделения нарушенных зон в лавах

Наименование Степень изменения параметра

геофизического параметра в нарушенной зоне, %

В зонах интен- В зоне разрывных

сивной трещи- нарушений с ам-

новатости, по- плитудами смеще-

слойной нару- ния от 1,0 до 10,0 м

шенное™

Скорость углепородных волн 10 10-15

Частота углепородных волн 5 5

Скорость каналовых волн 10-20 10-18

Частота каналовых волн 5-10 10-20

Изменение формы записи ка- Уменьшение Уменьшение ам-

наловых волн амплитуды плитуды вплоть до отсутствия на записях

Изменение кажущегося элек-

тросопротивления 10-500 10-600

Кроме полученного подтверждения перспективности использования геофизической разведки для оценки газодинамической опасности участков пластов, выполненные исследования позволяют дополнить методы проведения разведки изложенными ниже положениями, имеющими важное значение при установлении на пластах выбросоопасных участков:

Использование аналоговых сейсмостанций с записью сейсмических волн на фотобумагу не позволяли применить опыт обработки сейсмических записей, накопленный в наземной сейсморазведке. При обработке материалов использовались следующие параметры волн: динамические -форма записи сейсмических волн, кинематические - время прихода, скорость, частота. При анализе динамических параметров результаты обработки целиком зависели от интерпретатора. Обработка материалов производилась в основном вручную, что не позволяло использовать всю информацию, имеющуюся в записях сейсмических волн.

Применение станций с цифровой записью существенно расширило диапазон регистрируемых динамических параметров сейсмических волн, которые можно использовать при выделении нарушенных зон и определении типа нарушений.

Недостатком имеющегося программного обеспечения являлось использование классических методов полосовой фильтрации вследствие ограничения разрешающей способности, которая по Релею составляет 12/Т, где Т - интервал наблюдения. Поэтому невозможна фильтрация в узкой полосе частот. Для шахтной сейсморазведки это актуально, так как необходимо разделять волны, распространяющиеся по кровле, почве и угольному пласту.

Для выявления выбросоопасных зон и зон с повышенным газовыделением в диссертации предложены более тонкие методы обработки геофизических материалов. Автором внесены следующие дополнения:

- до обработки данных необходимо собрать всю геологическую и горнотехническую информации по исследуемому участку;

- при обработке шахтных сейсмических записей целесообразно использование метода Прони, а при обработке материалов шахтной электроразведки - методов сейсмической томографии.

Исходя из анализа результатов работ по шахтной геофизике и анализа современных методов обработки наземной сейсморазведки, был разработан приведенный ниже алгоритм обработки шахтных геофизических данных.

В зависимости от типа применяемой аппаратуры исходные данные из формата аппаратуры переводятся в формат пакета сейсмических программ.

Каждая сейсмограмма привязывается к соответствующему пикету в выбранной системе координат на плане горных работ.

Формируются единые файлы - сейсмограммы ОТВ (общей точки возбуждения). Проводится центровка и нормировка трасс сейсмограмм, спектральный анализ сейсмограмм, редакция данных, перекомпоновка данных по ОПП (общему пункту приема). Прослеживаются годографы углепородных и каналовых волн. Рассчитываются динамические параметры этих волн:

- интенсивности I(x)

I(x) = E u2(x,t)-

- когерентности S(x)

S(x) = uOOf,

Частоты, затухания и добротности экспоненциальной волны вычисляются по методу Прони путем разложения каждой трассы в сумму экспоненциальных волн:

N

u(x[t) = £ Ate at cosfat + (Pi).'

/=1

где N - порядок модели (в шахтной сейсморазведке N> 3); u(Xjt) - функция, описывающая поведение сейсмотрассы; xi-расстояние; t - время;

А,- - амплитуда i-той волны; (У, - частота i-той волны; а/ - затухание i-той волны; (pi - угол смещения.

Затем производится расчет томографического изображения по временам (скоростям) и по динамическим параметрам, и в плане отстраиваются карты по каждому параметру, по всему исследованному участку.

В соответствии с данным алгоритмом с участием автора разработан пакет программ.

Выделенные аномальные зоны по всем физическим параметрам анализируются в увязке с геологическими и горнотехническими данными.

Сопоставление геофизических данных с результатами замеров начального газовыделения и выхода бурового штыба при текущем прогнозе вы-бросоопасности в оконтуривающих выработках показывает, что зоны, опасные по внезапным выбросам, приурочены к границам изменения физических параметров сейсмических волн. На участках повышенного затухания экспоненциальной волны наблюдаются повышенные значения начальной скорости газовыделения и выхода бурового пггыба из контрольных шпуров.

Сопоставление карт изменения скоростей углепородных волн и изменения разности потенциалов дает возможность выделить тектонически напряженные зоны (по повышенным значениям скоростей и разности

потенциалов), что позволяет дать локальную оценку вероятных очагов внезапных выбросов угля и газа и других газодинамических явлений.

Для шахтной электроразведки автором из всего многообразия её модификаций предложено использовать только дипольные методы, так как они позволяют аномальные зоны привязать к линии «источник-приёмник» и, следовательно, использовать лучевые методы сейсморазведки и методы томографии.

Исходные данные, записанные в полевых журналах, вводятся в персональный компьютер в виде табл. 4.

Таблица 4

N1 Пикет Координата пикета Потенциал Ток

По данным таблицы можно отстроить графики разности потенциалов, выделить на них участки с аномальными значениями разности потенциалов и затем по методике В НИМИ провести дальнейшую обработку. Автор предлагает графики переводить в формат пакета сейсмических программ. После этого файлы сейсмического формата обрабатываются комплектом программ по томографии. В результате работы этих программ в плане выемочного столба отстраиваются изменения разности потенциалов кажущихся сопротивлений в виде карт (томограмм).

На плане выделяются аномальные участки как с высоким значением разности потенциалов, так и с низким. Аномальные участки с высокими значениями разности потенциалов относятся к изменениям литологии кровли или почвы пласта. Аномальные значения с низкими значениями разности потенциалов относятся к трещиноватым и нарушенным зонам угольного пласта.

С учётом вышеизложенного под руководством автора были проведены шахтные геофизические исследования на разных угольных месторовде-ниях Кузбасса - Берёзово-Бирюлинском , Чертинском , Байдаевском, на шахтах «Первомайская», «Бирюлинская», «Чертинская», «Западная»,

«Байдаевская» - и обработаны с помощью созданного пакета программ. Сделаны следующие выводы.

1. Результаты шахтных экспериментов показали достаточную сходимость выявленных геофизическими методами тектонически нарушенных зон в контуре столба лавы с данными эксплуатационной разведки.

2. Выявленные текущим прогнозом при проходке подготовительных выработок опасные зоны увязываются с зонами геофизических аномалий, приуроченных к зонам тектонических нарушений.

3. Электроразведочные методы необходимо применять на первом поисковом этапе работ, а далее на выявленных по данным электроразведки аномальных участках проводить сейсморазведку. Так как аномалии, выявленные электроразведкой, не всегда однозначно увязываются с угольным пластом или вмещающими породами, данный подход позволяет более однозначно дать геологическую интерпретацию геофизическим аномалиям при обработке материалов, а также сократить объемы шахтных сейсмораз-ведочных работ, что важно из-за их трудоемкости.

4. Из динамических параметров, рассчитанных по методу Прони, наибольшую изменчивость в зонах с перемятой пачкой угля мощностью более 0,3 м имеет затухание, увеличивающееся более чем в три раза (рис. 1).

Конвейерный штрек

I I —ь-

Рис. 1. Томограмма затуханий каналовых волн в лаве 2158 пласта XXI шахты «Бирюлинская»

е

- место входа конвейерного штрека в выбросоопасную зону, установленное нормативным методом текущего прогноза по контрольным шпурам

5. Скорость каналовых волн в зоне выбросоопасной пачки изменяется на 20 %, углепородных на 10 %.

6. Разность потенциалов (кажущееся электросопротивление) в потенциально выбросоопасных зонах изменяется в 2-6 раз (рис. 2).

АЦмВ

1

Неопасная зона I50 Выбросоопаснаязона 100

Рис. 2. Изменение разности потенциалов в выбросоопасных зонах шахты «Чертинская»

Проведённые исследования позволили создать метод установления опасных по внезапным выбросам угля и газа участков шахтопластов на основе геофизических измерений.

В четвёртом разделе описан разработанный метод установления опасных по внезапным выбросам угля и газа зон шахтопластов на основе геофизических измерений.

Приводится методика шахтных исследований и методика обработки полученных данных. Блок-схема процесса обработки приведена на рис. 3.

Для построения выбросоопасных зон тектонических нарушений угольных пластов предложена следующая схема интерпретации материалов наблюдений (последний этап в блок-схеме):

- сопоставляются данные электроразведочных и сейсморазведочных наблюдений: карты или графики разности потенциалов, карты скоростей, интенсивности, когерентности, затухания углепородных (граничных) волн и аналогичные карты пластовых каналовых волн. По результатам анализа параметров углепородных волн производится выбраковка аномальных зон, приуроченных к вмещающим породам, не влияющих на нормальное залегание пласта;

Рис. 3. Блок-схема установления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов впереди очистного забоя

- выделенные аномальные зоны наносятся на планы горных работ и увязываются с горнотехническими и геологическими данными (материалами). Увязка материалов наблюдений с горнотехническими данными позволяет выявить трещиноватость техногенного характера, выделить зоны повышенного горного давления от целиков, оставляемых для сохранения горных выработок. При уверенной увязке аномальных зон с техногенными факторами, не влияющими на выбросоопасную ситуацию, такие зоны не рассматриваются как потенциально выбросоопасные.

Сопоставление с геологическими материалами позволяет увязать геофизические аномалии со структурными особенностями угольного пласта, а также исключить аномалии, не влияющие на выбросоопасную ситуацию (наличие вскрытых выработками породных прослоев, включений, замещений литологического характера);

- за потенциально выбросоопасные принимаются участки, в пределах которых отмечаются аномалии с низкими значениями разности потенциалов, в два раза меньшими по сравнению со средними значениями по всему выемочному столбу, и пониженными значениями скоростей пластовых волн на 20% в сравнении со средними значениями по всему выемочному столбу;

- затухание каналовых волн рассчитанное по методу Прони, в зонах с перемятой пачкой угля мощностью более 0,3 м увеличивается более чем в четыре раза в сравнении со средними значениями по всему выемочному столбу.

Ошибка в определении границ потенциально выбросоопасных зон определяется шагом измерений и составляет +5 м при принятом шаге измерений 10 м. Отработка угольного пласта в пределах потенциально выбросоопасных участков, установленных по геофизическому фактору, осуществляется в соответствии с «Руководством по контролю выбросоопасно-сти и предотвращению внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях" (Кемерово, ВостНИИ, 1996).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научная задача по разработке метода установления потенциально выбросоопасных зон, связанных с тектонической нарушенностью в пределах подготовленных к выемке запасов, на основе геофизических измерений, выполняемых из окогауривающих выработок и не требующих остановки очистного забоя при выполнении прогноза.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Сформулирована геолого-физическая модель выбросоопасной зоны тектонических нарушений, позволяющая применить для их выявления измерения сейсмических и электрических параметров углепородного массива.

2. Разработана методика и пакет программ по обработке данных шахтной геофизики на персональном компьютере, позволяющая рассчитывать томографическое изображение среды по кинематическим и динамическим характеристикам сейсмических волн на проходящих волнах, отстраивать карты динамических и кинематических параметров и карты по кажущемуся сопротивлению или по разности потенциалов по параметрам проходящего электрического поля.

3. Предложено комплексирование методов шахтной сейсморазведки и электроразведки, позволяющее давать более точную геологическую интерпретацию геофизических данных и снизить стоимость работ.

4. Потенциально выбросоопасными являются зоны пласта со следующими аномалиями геофизических параметров угольного пласта по сравнению со средними значениями для выемочного пласта:

- при электроразведке - снижением более чем в два раза значений электросопротивления угля;

- при сейсморазведке - снижением не менее чем на 10 % углепородных волн, не менее чем на 20 % - каналовых волн; увеличением не менее чем в три раза коэффициента затухания каналовых волн.

5. Использование фильтрации по методу Прони для данных шахтной сейсморазведки даёт возможность получить более узкополосные временные разрезы и точнее дать положения участков с высоким поглощением энергии, что позволяет точнее оконтурить границы потенциально выбросо-опасных зон.

6. Разработан метод установления потенциально выбросоопасных участков угольных пластов в зонах влияния тектонических нарушений на основании комплексирования методов электроразведки и сейсморазведки.

7. Результаты работы реализованы в отраслевых и региональных нормативных документах:

- «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» (п. 2.4.22);

- «Методике установления потенциально выбросоопасных участков угольных пластов в зонах влияния тектонических нарушений.»;

- «Руководстве по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Богданов К.В.. Гайсин P.M., Потапов П. В. Опыт использования комплекса геофизических методов для выявления мелкоамплигудных нарушений на поле шахты «Распадская»: Тез. докл. науч.-техн. семинара «Горная геофизика». - Батуми, 1985. - С.71.

2. Баранов В. А., Потапов П. В. Геофизические методы разведки выемочных полей шахт//Безопасность труда в промышленности.-1991.-№1.-С. 10-11.

3. Рудаков В. А, Потапов П. В., Щадрин А. В. Обеспечение контроля выбросоопасности угольных пластов в условиях Кузбасса//Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Сб. тез. Всероссийской .науч. практ. конф. - Кемерово, 1994, с. 17-18. - (КузГТУ).

4. Игнатов Ю.М., Рудаков В.А., Потапов П.В., Смышляев В.М. Применение математических и геофизических методов прогноза газодинамических явлений для повышения безопасности работ на шахтах: Тез. докл. Российской научной конференции «Субъекты Российской Федерации в условиях реформ.», посвященной 50-летию Томской области и 90-летию экономического образования в Томском политехническом университете. -Томск, 1994.-С 60.

5. Методика геофизических исследований для оптимального проектирования крепи подготовительных выработок / Игнатов Ю. М., Смышляев В.М., Потапов П. В. Информ. листок. - Кемерово, 1994. -(Кемеровский. ЦНТИ).

6. Методика выявления и установления границ выбросоопасных зон на угольных пластах / Игнатов Ю. М., Рудаков В. А. ,Потапов П. В. Информ. листок. Кемерово, 1994. - (Кемеровское. ЦНТИ).

7. Игнатов Ю. М., Рудаков В. А., Потапов П. В. Повышение точности прогноза газодинамических явлений геофизическим методом: Тез. докл. II Между нар. науч. практ. конф «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах. - Кемерово, 1998. - С. 53. - (КузГТУ).

8. Методика установления потенциально выбросоопасных участков угольных пластов в зонах влияния тектонических нарушений.

Утв. 21.09.1998 / Зыков В. С., Беспятов Г. А., Рудаков В. А., Сурков А. В., Потапов П. В., Смышляев В. М,- Кемерово, 1999. -13 с. -(ВостНИИ).

9. Руководство по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана. Утв. 21.10.1999 / Зыков В. С., Стекольщиков Г.Г., Рудаков В. А., Потапов П.В., (ВостНИИ); Пузырев В.Н., Костюк С.Г., Сидорчук В.В., (КузГТУ);

Сурков А. В., (Кузнецкое управление Госгортехнадзора России). 36 с. -(ВостНИИ).

10. Зыков B.C., Желтков И.В., Потапов П.В. Научные и методические основы комплексного подхода к проблеме предупреждения внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях. // Подземная разработка месторождений полезных ископаемых:/ Сб. научн. тр./ КузГТУ. - Кемерово: Кузбас-свузиздат, 2000. - С. 412-437.

ЛР № 021306 от 10.08 2000 г. Подписано в печать 17.11.2000 г. Тираж 100 экз. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № 19. Кемерово. Ротапринт ВостНИИ, Институтская, 3