автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка геолого-геофизического метода прогноза выбросоопасных зон угольных пластов в Карагандинском бассейне

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Институт горного дела им. А.А.Скочинского _ —

.. ? На правах рукописи

Сергей Викторович СТАРИКОВСКИЙ

УДК 622.831.322"313":550.832.(043.3)

РАЗРАБОТКА ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОН УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В КАРАГАНДИНСКОМ БАССЕЙНЕ

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда и пожарная безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Научный руководитель -канд. техн. наук Б.Г.Суровцев.

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук А.Т.Айруни, канд. геол.-мин. наук Н.И.Строк.

Ведущее предприятие - производственное объединение по добыче угля "Карагандауголь".

Автореферат разослан ". Я

V/, Защита диссертации состоится " .-ШЯ/Я-иХ 1995г. в /У ч. на заседании специализированного совета К 135.05.03 Института горного дела им. А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

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

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

И.Г.Ищук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется современным состоянием вопросов прогнозирования газодинамических явлений на угольных пластах Карагандинского бассейна на стадии геологоразведочных работ. С увеличением глубины шахт и ухудшением горно-геологических условий разработки угольных пластов бассейна, горные работы осложняются рядом газодинамических явлений, среди которых внезапные выбросы угля и газа остаются наиболее сложными и труднопрогнозируемыми явлениями. За период освоения бассейна зарегистрировано 50 внезапных выбросов угля и газа.

В настоящее время региональный прогноз выбросоопас-ности угольных пластов в бассейне осуществляется в соответствии с "Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа" (М.: Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского, 1989. - 191 с.) и "Временной инструкцией по прогнозу выбросоопасности угольных пластов проектируемых шахт и нижних горизонтов действующих шахт Карагандинского бассейна" (Караганда, 1976. - 24 с.).

В основу этих методов положены экспериментально-статистические принципы определения выбросоопасности угольных пластов по комплексу геологических показателей, полученных в результате бурения новых разведочных скважин с поверхности и лабораторных исследований угольного керна. Существенными недостатками вариативных методов являются низкая технологичность, значительные сроки проведения и высокая стоимость прогноза. Нормативные методы позволяют только отнести шахтопласт к опасному или неопасному по внезапным выбросам угля и газа.

Опыт применения нормативных методов вызвал необходимость разработки для условий бассейна регионального метода прогнозирования выбросоопасности угольных пластов, который позволил бы по геолого-геофизическим данным оценить выбросо-опасность пласта и классифицировать его на опасные и неопасные по выбросам зоны.

Цель работы - разработка регионального метода прогноза выбросоопасных зон угольных пластов Карагандинского бассейна по геолого-гсофизическим данным углеразведочных скважин.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

выполнить районирование бассейна по горно-геологическим условиям проявления внезапных выбросов угля и газа;

сформировать и оптимизировать признаковое пространство по результатам исследования информативности и взаимосвязей геолого-геофизических признаков выбросоопасности;

разработать критерии прогноза выбросоопасности и с их помощью оценить качество разделения обучающих выборок на опасные и неопасные классы;

обосновать необходимое количество решающих правил (критериев прогноза выбросоопасности);

разработать геолого-геофизический метод прогноза и программное обеспечение информационно-прогнозирующей системы выбросоопасности угольных пластов бассейна.

Идея работы состоит в комплексном использовании геологической информации, данных стандартного комплекса геофизических исследований скважин, сведений о горнотехнических условиях разработки пластов и газодинамических явлениях для разработки критериев и метода прогноза выбросоопасных зон на угольных пластах Карагандинского бассейна.

Метопы нсслсдопании. При решении поставленных задач был исследован обширный комплекс показателей выбросоопасности, сформирована база данных и проведена обработка результатов с применением методов теории распознавания образов с эталонными обучающими выборками, методов статистического анализа и безэталонной классификации, а также современного программного обеспечения. На защиту выносятся:

результаты районирования бассейна по горно-геологическим условиям проявления внезапных выбросов;

оптимизированные комплексы геолого-геофизнческих признаков выбросоопасности;

решающие правила, сформированные на основе исследования обучающих выборок;

метод прогноза выбросоопасных зон угольных пластов бассейна и программное обеспечение информационно-прогнозирующей системы.

Достоперность научных положений и вмподов подтверждается:

соответствием научных положений диссертационной работы современным представлениям о природе и механизме внезапных выбросов угля и газа;

применением апробированных методов изучения и обработки геологических показателей и геофизических признаков вы-бросоопасности угольных пластов;

большим объемом используемых исходных данных по 2230 пластопересеченням, расположенным в трех геолого-промышленных районах бассейна;

высоким совпадением результатов прогноза с фактической выбросоопасностыо и положительными результатами проверки геолого-геофизического метода прогноза выбросоопасных зон угольных пластов на ряде шахт бассейна;

использованием современного программного обеспечения статистической обработки результатов исследований на ПЭВМ.

экспериментально показана возможность выделения опасных по выбросам зон на угольных пластах бассейна по результатам исследований геолого-геофизических признаков выбросо-опасностн, определена а обоснована область формирования обучающих выборок;

разработаны критерии прогноза выбросоопасности для различпых горно-геологических условий на основе исследования особенностей проявления внезапных выбросов угля и газа и выполнена оценка нх качества;

установлен характер изменения геологических и геофизических показателей выбросоопасности и их комплексов с удалением от места внезапного выброса;

разработан новый метод прогноза выбросоопасных зон угольных пластов Карагандннского бассейна, позволяющий по комплексу геолого-геофизических признаков дать вероятностную оценку выбросоопасности пласта в месте его пересечения углераз-ведочпой скважиной, классифицировать пласт на опасные и неопасные блоки, а в опасных блоках выделить выбросоопасные зоны. Практическая ценность:

впервые для условий бассейна разработан региональный метод прогноза выбросоопасных зон угольных пластов на основе комплексного использования геологической, геофизической и горно-технической информации. Применение метода позволяет получить достоверную информацию о потенциальной выбросоопасности до начала эксплуатации шахтопласта. Это дает воз-

можность выбрать оптимальные пространственно-планировочные решения по вскрытию и подготовке запасов, уточнить стоимость и сроки строительства шахт и подготовки новых горизонтов;

разработано программное обеспечение информационно-прогнозирующей системы выбросоопасности угольных пластов бассейна (в виде пакета программ для ПЭВМ). Система позволяет накапливать информацию по скважинам и газодинамическим явлениям, полностью автоматизировать процессы статистических исследований, расчетов вероятностных показателей выбросоопасности и построения прогнозных карт зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Реализаиия работы. Основные результаты исследований автора вошли в проект "Руководства по прогнозу выбросоопасности угольных пластов по геолого-геофизическим данным угле-разведочных скважин" и в ряд научно-исследовательских отчетов ИГД имени А.А.Скочинского, КНИУИ и ПГО "Центрказгео-логия". Совместно с сотрудниками центральной лаборатории ПГО "Центрказгеолошя" и лаборатории управления состоянием угольных пластов и вмещающих пород КНИУИ автором выполнен прогноз выбросоопасности и построены прогнозные карты по пласту d6 (шахты им.В.ИЛенина и "Казахстанская").

Апробппия работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХП Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, ИГД АН Каз.ССР, 29октября - 1 ноября 1990 г.); на ученом совете КНИУИ (Караганда, 1990-1992 гг.); на III Всесоюзном семинаре "Информатика недр" (Кемерово, Институт угля, 4-6 июня 1991 г.); на региональной научно-технической конференции "Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в осложняющихся условиях" (Караганда, КНИУИ, 6-7 августа 1991 г.); на научных семинарах лаборатории теории и прогноза внезапных выбросов угля и газа и отделения рудничной аэрологии и борьбы с внезапными выбросами ИГД им.А.А.Скочинского (Люберцы, 1990-1992 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 21 таблицу, список использованной литературы из 116 наименований и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В основу диссертации положены представления о причинах и механизме внезапных выбросов угля и газа, отраженные в работах многих исследователей. Изучением этой сложной проблемы занимались Л.А.Скочинский, В.В.Ходот, Б.М.Иванов, Г.Н.Фейт, Г.Д.Лидин, А.Э.Петросян, И.А.Эттннгер, С.А.Хрнстиановнч,

A.Т.Айруни, В.Н.Пузырев, О.И.Чернов, И.М.Петухов, Н.Е.Волошин, В.Е.Забигайло, Г.А.Коньков, В.И.Николин, И.М.Печук и Др.

Академик А.А.Скочинский сформулировал теоретические положения проявлений внезапных выбросов угля и газа, ставшие основой существующей в настоящее время теории внезапных выбросов. Внезапные выбросы, по А.А.Скочпнскому, определяются взаимодействием комплекса основных факторов: горного давления, заключенного в угле газа, физико-механическими и структурными свойствами угля, а также весом угля при крутом залегании пластов. Наиболее полное развитие этих положений осуществлено в энергетической теории В.В.Ходота.

Создание надежных методов прогноза внезапных выбросов угля и газа является одним из основных условий безопасной разработки угольных пластов. Решением этой проблемы на стадии геологоразведочных работ занимались Б.М.Иванов, И.М.Жимчича, Л.С.Вольпова, E.H.Фоминых, Н.А.Карев,

B.Е.Забигайло, В.А.Гончаренко, Ю.П.Зубарев, А.Е.Ольховичен-ко, А.Г.Берзин и др. Критерии разработанных методов основываются на экспериментально-статистических принципах прогнозирования, при которых несколько показателей объединяются в корреляционные зависимости, служащие для разделения пластов по признаку выбросооплснссти. Эти методы дают лишь альтернативную оценку пыброссопасностн пласта (опасный-неопасный), требуют дорогостоящих лабораторных исследований не всегда представительного угольного керна и не позволяют осуществить прогноз по ранее разведанным участкам.

Анализ литературных источников показал, что до настоящего времени отсутствует единая точка зрения не только о природе и механизме внезапных выбросов, но и о целях и задачах регионального прогноза. Выполняя обобщение существующих мнений о региональном прогнозировании, высказанных в работах В.В.Ходота, Б.М.Иванова, В.Е.Забигайло и Л.П.Куликова, автор сформулировал следующие основные требования к разрабатываемому методу прогноза выбросоопасности угольных пластов:

выполнить региональное районирование бассейна по горногеологическим условиям проявления газодинамических явлений, необходимое для определения общих данных о потенциальной выбросоопасности угольных пластов;

на основе комплексного исследования геологоразведочной информации определить такие геолого-геофизические показатели состояния и свойств исследуемого массива, которые позволяют сформировать наиболее качественные критерии прогноза выбросоопасности;

выделить по площади отдельных пластов, в пределах определенных геологических структур, выбросоопасные зоны.

Учитывая многофакторность проявления внезапных выбросов угля и газа, представляется наиболее перспективным на- . правлением в разработке методов прогнозирования по геологоразведочным данным - математическое моделирование "образа" вы-бросоопасных условий по комплексу геологических, геофизических, физико-химических и других признаков. Часть признаков непосредственно определяет основные факторы выбросоопасности, а остальные дают косвенную информацию о свойствах выбросоопасной среды (прочностных, магнитных, электрических, радиоактивных).

Методической основой подобного направления является использование наиболее эффективных средств исследования сложных физических процессов - методы теории распознавания образов с обучающими выборками. Методы этого направления более технологичны, не требуют дополнительных лабораторных исследовании и, что особенно важно, позволяют давать количественную оценку потенциальной выбросоопасности угольных пластов с использованием материалов ранее проведенных геологоразведочных работ.

К этому направлению принадлежат работы Б.Г.Суровцева, С.В.Холина и Г.М.Грача, в которых разработан подход, позволяющий применять геофизические и геологические данные при формировании "образа" выбросоопасных условий. Однако область разработанных критериев в этих методах ограничена условиями проявления внезапных выбросов угля и газа в Донецком бассейне, а по самим методам можно только выполнить расчет вероятностного показателя выбросоопасности пластопересечения. Эти методы не удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к прогнозу по геологоразведочным данным.

Исследовательская часть настоящей работы посвящена установлению региональных особенностей проявления внезапных выбросов угля и газа в бассейне, разработке и оценке качества

критериев прогноза выбросоопасности, определению влияния удаленности эталонных пластопересечений от места внезапного выброса на качество прогноза, формированию комплекса наиболее информативных признаков выбросоопасности.

Результаты исследования условий проявления внезапных выбросов показали, что выбросы в бассейне происходят только в подл)товителыгых выработках и в основном на пологих пластах. Выбросоопасные пласты имеют высокую газоносность и сложную структуру, а некоторые пласты имеют сильно нарушенную (особо выбросоопаснуго) пачку угля. С ростом глубины разработки вы-бросоопасных угольных пластов возрастает количество внезапных выбросов угля и газа.

Исследование изменения выбросоопасности с глубиной, мощностью, углом падения и другими факторами, анализ особенностей геолого-тектонического строения бассейна и площадного распределения выбросов позволили установить региональное группирование выбросов по геолого-промышленным районам и мощности выбросоопасных пластов. Проявление внезапных выбросов в выделенных районах и группах различается по ряду показателей (см. таблицу).

Проведенные исследования позволяют утверждать, что, в силу установленных особенностей проявления выбросов, необходимо для каждого района, а в его пределах - для каждой группы мощностей пластов разрабатывать собственный критерий прогноза выбросоопасности.

При формировании комплекса исходных данных ксточхшкамн информации служили: "дело" скважины, планы горных работ, акты расследования и регистрации газодинамических явлений.

Исходные геологические данные включают такие показатели, как мощность, угол падения и газоносность пласта, количество пачек и прочность угля, зольность, влажность и сернистость, выход летучих, выход керна л др.

Исходные геофизические данные формируются путем преобразования аналоговых сигналов диаграмм каротажных кривых, зарегистрированных при измерении электрических, радиоактивных и прочностных свойств угольного пласта и вмещающих пород в дискретные значения. Дискретизация диаграмм детализационного масштаба производится в интервалах исследования- почва, пласт, кровля. Исследуемый пласт рассматривается по слоям мощностью не более 3,5 м. Это позволяет для мощных пластов послойно формировать обучающие выборки и выполнять прогноз выбросоопасности. С диаграмм вмещающих пород кровли

и почвы пласта значения снимаются в интервале 1,6 м. В поисковом масштабе с диаграмм пласта и различных литотипов вмещающих пород кровли и почвы снимаются максимальные и минимальные значения каротажных кривых.

Обобщенные показатели фактической выбросоопасностн

Наименование показателей По районам По пластам мощностью

Кара- Чуру- Тен-

гак- бай- текс- до 3,5- более

дин- Нурпн- кий 3,5 м 6,5 м 6,5 м

ский ский

Количество 35 3 12 8 28 14

выбросов

Глубина выбро- 364,3 325,0 434,9 435,0 341,8 421,0

сов, м

Мощность

пласта в месте 6,0 2.8 3,8 1,75 5,0 7,8

выброса, м

Количество от-

брошенного 59,5 129,0 273,4 294,7 73,6 95,1

угля, т

Количество вы-

делившегося 5,0 10,5 ' 29,4 34,2 7,0 7,1

газа, тыс.м

Дальность от-

броса угля, м 5.4 16,3 26,8 28,8 8,3 6,1

Угол падения

пласта, град. 15,3 49,3 10,4 19,3 17.4 11,8

Крепость угля

по шкале Про- 0,39 0,34 0,31 0,32 0,37 0,41

тодьяконова

Начальная ско-

рость газоотда- 20,5 20,6 17.1 16,6 20,4 20,6

чи, у.е.

Стандартный комплекс геофизических исследовании скважин в бассейне предусматривает измерение следующих свойств угольных пластов и вмещающих пород: электрические свойства, измеренные методами токового каротажа, градиент- и потенциал-зондом; радиоактивные свойства, измеренные методами гамма- и гамма-гамма каротажа; прочностные свойства, измеренные методами кавернометрии; упругие свойства, измеренные акустическими методами.

Исходная информация о газодинамических явлениях содержит общие сведения о внезапных выбросах и данные по пласту и вмещающим породам в месте регистрации явления.

Основу математического обеспечения составляют методы теории распознавания образов с обучением на эталонных объектах, где "образом" является вектор числовых характеристик пла-стопересечения, полученных в результате обработки геологических показателей и диаграмм геофизических измерений. Сущность распознавания в нашем случае заключается в следующем: имеется некоторая совокупность объектов (пластопересе-чений) и необходимо на основе эталонов разработать такую процедуру, с помощью которой возможно разделение этих объектов на выбросоопасный и невыбросоопасный классы. Главная особенность такой процедуры заключается в непременном наличии априорных сведений о принадлежности объектов обучения к определенному классу. На выходе процедуры формируется решающее правило (критерий прогноза выбросоопасности), которое представляет собой вектор плоскостей разделения геометрического пространства признаков и состоит из матриц расчетных значений по каждому признаку. Матрицы формируются отдельно по каждому комплексу и интервалу исследований, а каждая строка матрицы представляет собой набор числовых характеристик одного из признаков выбросоопасности.

В рамках настоящей работы разработана методика отбора эталонных пластопересечений, согласно которой эталоны отбирались на отработанных площадях в несколько групп по расстоянию до выброса. В обучающую выборку выбросоопасного класса было отобрано 230 объектов, а в обучающую выборку не-выбросоопасного класса - 90.

По эталонам обучающих выборок изучались статистические характеристики геофизических признаков и геологических показателей, а также выполнялась оценка качества разделения признаков на два класса по критерию Стыодента.

Анализ результатов статистических исследований эталонов показал, что по отдельно взятым признакам наблюдается слабое разделение на классы. Это объясняется наличием у некоторых признаков тесной взаимосвязи значений в обоих классах и свидетельствует о недостаточной информации для определения выбросоопасности по отдельному признаку. В то же время по комплексу признаков наблюдается полное разграничение на опасный и неопасный классы для расчетных значений показателя выбросоопасности. Полученные результаты доказывают, что только по комплексу признаков возможен качественный прогноз выбросоопасности угольных пластов.

Применение неинформативных признаков выбросоопасности в классифицирующей функции может привести к ухуд-

шению качества распознавания системы. Подобные признаки следует исключать при обработке. С другой стороны, безмерное увеличение количества признаков может не только улучшить, но и снизить качество прогноза из-за существования признаков-помех, создающих "информационный шум", на фоне которого затушевывается полезная информация. Наконец, отбор наиболее информативных признаков позволит установить первоочередность изучения факторов, влияющих на выбросоопасную ситуацию.

Информативность признака - интегральная характеристика, отражающая способность признака в целом различать сравниваемые объекты. Она позволяет ранжировать признаки и выявлять те из них, изучение которых может дать наибольший эффект при прогнозе. В данной работе информативность признаков определяется как обратная величина вклада каждого признака во внутригрупповой разброс по каждому классу. На основе исследования информативности из исходною признакового пространства формируется новая система признаков выбросоопас-ности, позволяющая производить прогноз с заданной надежностью.

В результате оценки информативности признаков было установлено, что наибольшими объемами информации обладают геологические показатели: природная газоносность, выход летучих веществ, мощность, влажность и зольность пласта, а геофизические методы располагаются по убыванию информативности в следующем порядке: ГЗ - метод градиен -зонда, ГГК - метод гамма-гамма каротажа, БТК - метод бокового токового каротажа.

Для исследования динамики изменения геолого- геофизических показателей при удалении от места выброса, эталоны выбросоопасного класса формировались в группы через 25 м. По каждому исходному признаку и расчетному значению выполнялась аппроксимация среднегрупповых значений методом скользящих средних и рассчитывался линейный тренд.

В результате исследований были установлены закономерности изменения отдельных показателей выбросоопасности на отработанных площадях при удалении эталона от места выброса. Анализируя результаты прогноза обучающих выборок, автор установил, что значение расчетного показателя выбросоопасности В снижаете I при удалении эталонного объекта от выброса на расстояние Ь (км). Эта зависимость для эталонной выборки Тентскского района имеет вид

В =0,681 - 0,145 Ь.

Коэффициент парной корреляции равен -0,52, ^критерий -2,6. Для окончательного выбора эталонных объектов и оценки качества формируемого критерия прогноза выбросоопасности были проведены дополнительные исследования обучающих выборок. При этом эталоны выбросоопасного класса отбирались в 3 группы по расстоянию от внезапного выброса. К первой группе были отнесены пластопересечення, находящиеся на расстоянии до 250 м от выброса, ко второй группе - на расстоянии до 350 м, а к третьей -на расстоянии до 500 м. По каждой группе эталонов формировался вариант критерия прогноза выбросоопасности (решающее правило).

Из результатов исследований каждого варианта сформированы обобщенные характеристики решающих правил по Карагандинскому бассейну (рис. 1).

% В 1 .

15 . 0,7-

- 5 4\//

- 0,5-

5 . 0,3-

^—3

I 1 ¡—^-1-1-г

250 350 450 Ь,м Рис. 1 Обобщенные характеристики решающих правил

Из анализа характеристик видно, что чем дальше находится эталонное пластопересечение от места выброса, тем ниже качество разработанного критерия. Это доказывается уменьшением значения расчетного показателя эталонов выбросоопасного класса (кривая 1) и увеличением значения показателя эталонов невы-бросоопасного класса (кривая 2) при увеличении расстояния от эталонного объекта до места выброса. Кроме того, происходит уменьшение межклассового расстояния (кривая 5), которое отражает один из главных факторов качества разделения эталонов на 2 класса. Другим главным факторов качества разработанного критерия являются ошибки распознавания. Так, увеличение расстояния от эталона до места выброса приводит к резкому возра-

станию численных значений (в %) ошибок 1-го и 2-го рода (соответственно кривые 3 и 4).

Результаты исследования качества сформированных решающих правил позволили установить наиболее приемлемый вариант критерия прогноза выбросоопасности угольных пластов для условий Карагандинского бассейна, при котором обучающая выборка выбросоопасного класса формируется из эталонных пла-стопересеченнй, находящихся на расстоянии не более 350 м от места выброса.

При разработке геолого-геофизического метода прогноза возникла проблема обработки больших объемов информации. Поэтому в рамках работы в качестве инструмента исследования, а также для автоматизации всего процесса прогноза разработана информационно-прогнозирующая система выбросоопасности угольных пластов бассейна (рис. 2).

Региональные базы данных

геолого-геофизической информации газо-дннамических явлений графических образов

I

Специализированные базы данных

"ГЕОФИЗПРОГНОЗ" "ИНФОВЫБРОС"

Прогноз выбросоопасности Формирование решающих правил

1

Результаты прогноза Статистические исследования

Классификация блоков ¡<—-

I

Построение прогнозных карт и подготовка "Заключений о выбросоопасности..."

Рис. 2. Структура информационно-прогиозирующсА системы

В основе системы находится банк данных, который является централизованным хранилищем структурно организованной информации. Он состоит из двух баз: "Геофизпрогноз" и "Инфо-выброс", которые содержат информацию по скважинам неведения о газодинамических явлениях. В системе реализован комплекс программ информационно-статистических исследований, формирования решающих правил, прогноза выбросоопасности и построения прогнозных карт.

Расчет вероятности внезапного выброса осуществляется в несколько стадий по следующей методике:

1. Исходная информация вводится в базы данных.

2. Из базы критериев выбирается решающее правило, отвечающее горно-геологическим условиям участка прогноза.

3. По каждому пластопересеченню формируется признаковое пространство X/у .

4. Рассчитывается алгебраическое расстояние от прогнозируемого пластопересечения до разделяющей гиперплоскости по формуле

где X к, I, у - значение ¡-го признака к-го массива решающего правила .¡-го эталона;

Хн - вектор средних значений обучающей выборки невыбросоопасного класса в относительных единицах;

Хв - вектор средних значений обучающей выборки выбросоопасного класса в относительных единицах.

5. При Дп — 0 вычисляется вероятностный показатель выбросоопасности пластопересечения в пересчете на шкалу от 0 до 1 по формуле

а при Д п. > 0 - по формуле

где Д min - минимальное алгебраическое расстояние от эталонного объекта до разделяющей гиперплоскости, которое берется из решающего правила;

Д шах - максимальное алгебраическое расстояние;

Дп=% S § **././ (Хн.1~ Xo.i /= 1 l/fc=w=i 4

Хн. к Хв. к

2

0,5 - граничное значение разделяющей гиперплоскости.

Таким образом, по всем пластопересечениям определяются независимые показатели выбросоопасности для пласта, почвы и кровли. Для избавления от случайных погрешностей и ошибок измерений проводятся исследования влияния ошибок по отдельным массивам и их исключение. Скорректированный результат пересчитывается с учетом влияния критической глубины и газоносности.

6. С помощью методов безэталонной классификации выделяются однородные по задаваемому комплексу признаков участки шахтного поля. Для этого применяется алгоритм группирования с ' " - выбирается

Находятся все точки-векторы, попавшие в гиперсферу радиуса Я *, и определяется центр тяжести их с координатами в точке (2 (-И (г*+1,1 , Я*+1,2,..» 2<+1,т) • Выполняется проверка УСЛОВИЯ

Если условие (1) выполняется, то таксон считается выделенным. В противном случае точка <2 г +1 принимается за новый центр гиперсферы. Процедура повторяется до тех пор, пока не будет выполнено условие (1).

7. В опасных по внезапным выбросам участках выделяются зоны различной степени выбросоопасности. Выделение зон осуществляется построением изолиний расчетного показателя выбросоопасности с помощью методов линейной интерполяции.

Для проверки разработанного метода был выполнен прогноз выбросоопасности отработанных площадей пласта с!6 па полях шахт им.В.ИЛенина и "Казахстанская" и построены впервые прогнозные карты. В результате анализа прогнозных карт было установлено, что все зарегистрированные внезапные выбросы легли в опасные зоны, выделенные разработанным методов.

Результаты прогноза сопоставлялись с показателями выбросоопасности, определенными по методу КО ВостНИИ и сокра-

ти

щепному комплексу методики ИГД им.А.А.Скочинского. Сопоставление проводилось по тем пластопересечениям, где выполнялась оценка выбросоопасности по этим методам. При сравнении результатов геолого-геофизнческого метода прогноза и геологоразведочного метода ИГД им.А.А'.Скочинского вероятность одинаковой оценки в сопоставимых точках достигает 87,5 %, а при сравнении с методом КО ВостНИИ - 54,8 %. Сопоставление результатов геолого-геофизического метода и нормативного метода текущего проггоза выполнялось путем нанесения на планы горных работ выбросоопасных зон, выделенных по двум методам. Анализ карт показал, что разработанный метод выделяет зоны, опасность которых подтверждается результатами нормативного метода текущего прогноза.

Экономический эффект от применения геолого-геофизического метода прогноза выбросоопасности угольных пластов на один участок разведки по ценам 1991 г. составляет 38080 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Анализ литературных источников по вопросам регионального прогнозирования выбросоопасности угольных пластов показал, что наиболее перспективным направлением для разработки »стода прогноза по геолого-геофизическим данным угле-разведочных скважин, характеризующим основные факторы выбросоопасности, является их обработка с помощью методов теории распознавания образов на основе обучающих выборок.

2. Анализ особенностей геологического и тектонического строения Карагандинского бассейна, результаты исследования общих тенденций изменения выбросоопасности с глубиной, мощностью и углом падения пластов и анализ площадного распределения внезапных выбросов позволили установить региональное группирование выбросов по мощности пластов для различных глубин проявления. Это вызвало необходимость разработки критериев прогноза выбросоопасности для каждого геолого-промышленного района, а в пределах районов - для трех групп по мощности пластов: до 3,5 м; от 3,5 до 6,5 м; свыше 6,5 м.

3. По результатам оценки информативности отдельных признаков и комплексов исследования установлено, что наибольшими объемами информации обладают геологические показатели: природная газоносность, выход летучих веществ,

мощность, влажность и зольность пласта, а геофизические методы располагаются по убыванию информативности в следующем порядке: ГЗ - метод градиент-зонда, ГГК - метод гамма-гамма каротажа, БТК - метод бокового токового каротажа. На основе результатов исследования информативности сформировано новое пространство из 220 геолого-геофизических признаков и установлены взаимосвязи с вероятностными показателями выбросоопас-ности.

4. Разработана методика отбора эталонных объектов для формирования обучающих выборок по геолого-промышленным районам и трем группам по мощности пластов. В процессе исследования динамики изменения геолого-геофизических показателей установлены закономерности изменения отдельных показателей по отработанным площадям на расстоянии до 350 м от места выброса.

5. Статистические исследования объектов обучающих выборок показали, что только при комплексном использовании геологических и геофизических данных можно добиться качественного разделения обучающих выборок на классы. По результатам исследования эталонов разработано 5 решающих правил, учитывающих различные условия проявления внезапных выбросов в бассейне. Для разработанных критериев прогноза выбросоопас-ности ошибки первого рода не превышают 3,5 %, а ошибки второго рода-6,9%.

6. Разработан региональный метод прогноза выбросоопас-ных зон угольных пластов Карагандинского бассейна, позволяющий по комплексу геолого-геофизических признаков дать вероятностную оценку выбросоопасности пласта (интервал изменения показателя выбросоопасности от 0 до 1) в месте его пересечения углеразведочной скважиной и классифицировать шахтопласт на блоки различной степени выбросоопасности.

7. Разработано программное обеспечение информационно-прогнозирующей системы выбросоопасных зон угольных пластов Карагандинского бассейна, позволяющее автоматизировать процессы вычислений, обработки информации и исследования. Сформирован банк геолого-геофизических данных по 2230 пла-стопересечениям.

8. Построены прогнозные карты по пласту (16 на шахтах им.В.И Ленина и "Казахстанская". Проверка метода показала высокое совладение результатов прогноза с фактической выбросо-опасностью. Научные и практические выводы работы использовались при составлении проекта "Руководства по прогнозу выбро-

(»опасности угольных пластов по геолого-геофизическим данным углеразведочных скважин".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Технологические схемы проведения подготовительных выработок по особо выбросоопасному пласту d6 в условиях шахты имени В.ИЛенина: Утв. техн. дир. ПО "Карагандауголь" 06.03.84. - Караганда: ДНТИ ПО "Карагандауголь", 1984. - 45 с.

2. Технологические схемы проведения подготовительных выработок по пластам, склонным к внезапным выбросам угля и газа на шахтах Тентекского района Карагандинского бассейна: Утв. техн. дир. ПО "Карагандауголь" 24.03.86. - Караганда: ДНТИ ПО "Карагандауголь", 1986. - 55 с.

3. Суровцев Б.Г., Грач Г.М., Стариковский C.B. Прогнозирование зон проявления газодинамических явлений по геолого-геофизическим данным углеразведочных скважин // Состояние и внедрение геофизических методов при поисках и разведке угольных месторождений союза: Тез. докл. науч.-практ. конф. 16-19 января 1990 г. - Воркута, 1990. - С. 93-94.

4. Суровцев Б.Г., Грач Г.М., Стариковский C.B. Информационно-прогнозирующая система выбросоопасности угольных пластов // Практическая геостатистика / Труды П Всесоюзного семинара по геостатистике. - Петрозаводск, Î991. - С. 171-178.

5. Есполова P.C., Суровцев Б.Г., Стариковский C.B. Структура информационно-прогнозирующей системы выделения вы-бросоопасных зон угольных пластов Карагандинского бассейна // Разработка новых и совершенствование существующих средств и способов безопасной выемки угля в усложняющихся условиях: Тез.докл.Регион.науч. - техн. конф. 6-7 августа 1991 г. - Караганда, 1991.-С. 63-64.

6. Суровцев Б.Г., Грач Г.М., Стариковский C.B. Выделение выбросоопасных зон угольных пластов с применением методов безэталонной классификации // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология / Научн. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинскоп>.- M., 1992. - С.75-79.

Подл, к печати 25.01.93 г. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Изд. N 9952. Тип зак.

ИГД им. Л.Л.Скочннского: 140004, г. Люберцы Моск. обл. Типография: 140004, г. Люберцы Моск. обл.