автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка корреляционного сейсмоакустического способа оконтуривания крепких включений во вскрышных породах разрезов КАТЭК

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткая горно-геологическая характеристика продуктивной толщи месторождений Канско-Ачинского бассейна

1.2. Технологические схемы разработки вскрышных пород на разрезах КАТЭК.

1.3. Геофизические методы выявления структурных неоднородностей в массиве горных пород

1.4. Цель и задачи исследования.

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

2.1. Теоретические предпосылки метода количественной оценки динамических параметров сейсмических волн

2.2. Определение скорости распространения сейсмических волн в массиве вскрышных пород

2.3. Разработка сейсмоакустического корреляционного метода обнаружения включений на модели массива б лабораторных условиях

2.4. Основные положения методики обнаружения включений сейсмоакустическим корреляционным способом

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМ КОРРЕЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ.

3.1. Аппаратура для проведения сейсмоакустических наблюдений в производственных условиях

3.2. Исследование амплитудно-частотных характеристик сейсмических волн в массиве вскрышных пород при различных способах возбуждения

3.3. Методика проведения экспериментальных работ по обнаружению включений в массиве вскрышных пород Бородинского месторождения

4. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ВО ВСКРШШХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ.

Принятыми на ХХУ1 съезде КПСС "Основными направлениями социального и экономического развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" предусматривается значительное увеличение добычи угля в нашей стране, и в первую очередь - за счет освоения новых угольных месторождений Центральной и Восточной Сибири.

Одним из районов интенсивной открытой угледобычи становится Канско-Ачинский бассейн, на базе которого создается крупнейший в стране Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК), Чрезвычайно большая мощность буроугольных пластов, неглубокое пологое их залегание и простирание на значительных площадях - все эти благоприятные горно-геологические факторы предопределяют возможность добычи в бассейне дешевого энергетического угля открытым способом. В целях снижения себестоимости разработки и повышения производительности труда необходимо примененив на разрезах бассейна самого современного горнодобывающего и транспортного оборудования, в том числе - роторных экскаваторов в составе комплекса непрерывного- действия производительностью 5250 м3/час, а в перспективе - 12500 м3/часг Невысокие прочностные показатели пород, слагающих месторождения бассейна, позволяют полностью перейти на оборудование непрерывного действия как на добычных, так и на вскрышных работах при условии повышения усилия резания роторных экскаваторов до 14 кг/см2.

Фактором, сдерживающим широкое применение комплексов непрерывного действия на разрезах Канско-Ачинского бассейна, является почти повсеместное распространение крепких включений в массиве мягких вскрышных пород. Несмотря на то, что объем включений составляет не более объема вскрыши, они значительно осложняют ведение вскрышных работ: приводят к снижению производительности роторных комплексов, вызывают аварии и простои экскаваторов.

Для эффективной эксплуатации оборудования необходимо заблаговременно обнаруживать крепкие включения в массиве и разрушать их с применением буровзрывных работ [1].

Существующие в настоящее время геофизические методы обладают недостаточной разрешающей способностью для решения задачи обнаружения включений.

Таким образом, создание сейсмоакустического способа выявления крепких включений, обладающего повышенной разрешающей способностью, является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.

Основная идея работы заключается в использовании динамических характеристик возбуждаемых в массиве высокочастотных сейсмических волн на основе корреляционного преобразования сейсмических сигналов при изучении строения толщи вскрышных пород и выявления крепких включений.

Целью работы является разработка методики обнаружения крепких включений в массиве вскрышных породах разрезов КАТЭК, обеспечивающего возможность заблаговременного разрушения включений при выемке вскрышных пород роторными экскаваторами. Научная новизна работы состоит в следующем: - установлена теоретическая зависимость интенсивности преломленных волн, образующихся при сейсмическом исследовании массива вскрышных пород, содержащего крепкое включение, от глубины залегания и размеров включения;

- в качестве критерия возмущения волновой картины при сейсмическом исследовании массива вскрышных пород, содержащего крепкие включения, предложена величина максимума функции взаимной корреляции сейсмических сигналов соседних трасс;

- разработана методика сейсмических наблюдений для обнаружения и оконтуривания крепких включений в массиве вскрышных пород разрезов КАТЭК.

На защиту выносятся:

- результаты теоретического расчета относительной интенсивности преломленных волн, возникающих на границе раздела крепкого включения и вмещающего вскрышного массива;

- способ выделения информативной части сейсмограмм на основе вычисления величины максимума функции взаимной корреляции сейсмических сигналов;

- экспериментально установленные в лабораторных и производственных условиях закономерности изменения величины максимума ФВК сигналов при сейсмических исследованиях от глубины залегания и размеров включений в породном массиве;

- методика обнаружения крепких включений во вскрышных породах разрезов КАТЭК.

Работа выполнялась в ИГД им.А.А.Скочинского, в лаборатории свойств горных пород и массива, в соответствии с планом научно-исследовательских работ института на 1981-85 гг.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретическими расчетами показано, что наличие крепкого включения в массиве вскрышных пород вызывает изменение волновой картины, регистрируемой на рабочей площадке уступа; определены пределы изменения относительной интенсивности преломленной волны.

2. Сформулированы положения сейсмоакустического метода выявления крепких включений во вскрышных породах, основанного на применении в качестве информативного параметра максимума функции взаимной корреляции сейсмических сигналов, зарегистрированных в соседних пунктах приема.

3. Экспериментальные исследования, выполненные на моделях с соблюдением принципов подобия, подтвердили возможность обнаружения и оконтуривания крепких включений предложенным методом. Установлена возможность выявления включений размером в плане свыше 5 м при глубине залегания до 30 м.

4. Сейсмические исследования вскрышного массива в производственных условиях показали, что скорости продольных волн в крепких включениях и во вмещающем массиве различаются примерно в 3,8 раз'!и составляют, соответственно, в среднем 1600 м/с и

430 м/с; основная энергия спектра регистрируемых сигналов сосредоточена в интервале частот до 100 Гц как при ударном, так и при взрывном источниках возбуждения. Составляющие спектра в диапазоне 60-100 Гц для взрывных источников имеют амплитуду в 2-3 раза ниже амплитуд соответствующих составляющих для ударных источников, что делает применение последних предпочтительным для получения более коротких длин волн.

5. Установлены оптимальные параметры сети сейсмических наблюдений с учетом характеристик волнового поля, а также затрат на разбуривание и разрушение включений.

6. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана "Временная методика обнаружения твердых включений вымокочастотным корреляционным сейсмическим способом", утвержденная Минуглепромом СССР.

7. Апробация разработанной методики в условиях разреза "Бородинский" ПО "Красноярскуголь" показала, что надежность оконтуривания включений размером более 2,5 м при глубине залегания до 10 м находится на уровне 0,95.

8. Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной методики за счет сокращения объемов буровзрывных работ по сравнению с вариантом сплошной подготовки вскрышных пород к выемке составит около 180 тыс.руб. на I млн.м3 вскрыши.

1. Луговой Г.И., Сперанский М.А., Грачев A.A. Геофизику на службу угольной промышленности. Уголь, 1972, № 8.

2. Аксарин A.B. Схема стратиграфического расчленения юрских угленосных отложений Канского бассейна. Труды межведомственного совещания по стратиграфии Сибири. Л., Госгеолтехиздат, 1957.

3. Лабунский Л.В. Некоторые закономерности угленакопленияв Рыбинском угленосном районе Канско-Ачинского бассейна. В кн.: Геология и полезные ископаемые Урала. Труды Свердловского горного ин-та, Вып. 45, 1964.

4. Семериков A.A. О некоторых особенностях строения угленосных отложений Канско-Ачинского бассейна. В кн.: Угленосные формации некоторых регионов СССР. Л., АН СССР, 1962.

5. Кунаев H.H., Карпенко Е.П. Инженерно-геологические условия буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна/ Технология добычи угля открытым способом/ ЦНИЭИуголь, 1977. 24 с.

6. Красавин А.П., Кабаков A.M. Дифференцирование вскрышных пород Бородинского месторождения по физико-механическим свойствам.

7. Б кн.: Геолого-технологическая оценка вскрышных пород угольных месторождений. Вып. I. Челябинск: НИИОГР, 1970, с.49-54.

8. Кабаков A.M. Исследование физико-механических свойств вскрышных пород Канско-Ачинского бассейна в целях совершенствования технологии открытых работ.: Дисс. на соиск.учен.степ. канд. техн.наук/ ИГД им.А.А.Скочинского. -М., 1972.- 192 с.

9. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. М.: Недра, 1978. - 541 с.

10. Фурдуев В.В. Электроакустика.

11. Огильви A.A. Геофизические методы исследования. МГУ,1962.

12. Тархов А.Г. и др. Подземная геофизика. -М.: Недра, 1973.

13. Бреховских U.M. Волеы в слоистых средах. -М.: Мир, 1966.

14. Исакович М.А. Общая акустика. -М.: Наука, 1973, -495 с.

15. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд. 3-е, перераб. и доп. -М.: Недра, 1978, 390 с.

16. Ржевский В.В., Коренберг Е.Б. Радиоинтроскопия массивов горных пород. -М.: МГИ, 1972, -256 с.

17. Андреев Б.А. и др. Курс гравитационной разведки. Госгеол-издат, 1941.

18. Сажина Н.Б., Грушинский Н.П. Гравитационная разведка.-М.: Недра, 1966.

19. Успенский Д.Г. Гравиразведка. -I.: Недра, 1968, -331 с.

20. Демиденко И.М., Давыдов М.О., Лабунский Л.В. Геофизический метод обнаружения крепких включений во вскрышных породах. Уголь, 1976, JS 12.

21. Байконуров Б.П., Мельников В.А. Основы горной геофизики. Алма-Ата, Наука, 1970.

22. Воробьев A.A., Тонконогов М.П., Векслер Ю.А. Теоретические вопросы физики горных пород. М., Недра, 1972.

23. Матвеев Б.К. Интерпретация электромагнитных зондирований. М., Недра, 1974.

24. Демиденко И.М., Лабунский В.В. и др. Обнаружение крепких включений во вскрыше разрезов Канско-Ачинского бассейна (обзор). М., ЦНИЭИ, 1978.

25. Ризниченко Ю.В. Определение полей интенсивностей сейсмических волн. Изв. АН СССР, Сер. геофиз. № I, 1954.

26. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка. М., Недра, 1980, 551 с.

27. Ямщиков B.C., Ржевский В.В. Ультразвуковой контроль и исследования в горном деле. М., Недра, 1968, 120 с.

28. Берзон И.С. Высокочастотная сейсмика. М., изд-во АН СССР, 1957, 302 с.

29. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М., Недра, 1969.

30. Ватолин Е.С. и др. Прибор для определения скоростей упругих волн в горных породах. В сб.: Физика горных пород и процессов. М., 1971, с.279.

31. Глушко В.Т., Яланский A.A., Ямщиков B.C. Геофизический контроль на угольных шахтах. Киев, Наукова думка, 1978, 222 с.

32. Тютюнйк U.M. Геоакустический контроль защитных ограждений при строительстве подземных сооружений и шахт. Дисс. на соискание ученой степени докт.техн.наук, МГИ, 1983, 513 с. (рукопись).

33. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. -М.: Недра, 1973, -224 с.

34. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов: Учеб. пособие для вузов. -М.: Недра, 1982, -296 с.

35. Ямщиков B.C. Введение в геоакустику. -М.: Изд. МГИ, 1968.39. /¿¿/¿-¿-е/яе /Чагы?. У/? S// ¿dates / /яее А олс/ /ог/sn/с//к Гос. о* ^ ^ ^ ** ^ ^ 34"'JS*

36. Мячкин В.И., Долбилкина И.А. Сейсмическое просвечивание очаговых зон. В сб."Предвестники землетрясений". М., ИФЗ АН СССР, 1973, с .100-110.41. Э- Jes/fty г* ¿угго/7 //7 л^г/б3i/У. s г5-^

37. Лейбензон В.И. Ультразвуковая локация в горном деле.

38. Верденникова Н.И., Чижова М.В., Белозеров A.A. Об изучении некоторых эффективных параметров реальных сред по данным сейсмических наблюдений в скважинах. -В сб.: Вопр. динамич.теории распростр. сейсмич.волн, III. -Л.: Наука, 1971, с.124-135.

39. Михайловский В.Н. и др. Возможности обнаружения неодно-родностей горных пород акустическими методами. -В сб. Автоматический контроль и измерительная техника. Вып.7. -Киев, АН УССР, 1963.

40. Михайловский В.Н., Первушин В.Н. Звукометрические методы внутрирудничной макродефектоскопии. -К.: Наукова думка, 1968.

41. Забродин A.C., Петров М.Е. Опыт применения акустического метода определения расстояния до пустот и геологических контактов на месторождениях каменной соли. Сб. тр. ВНИМИ, вып.50. - I., 1963.

42. Новые области применения и направления развития горной геофизики в ПНР. У^е ¿^о^&сА^Л % 198о, ✓ ю, js I, стр.9-11.

43. Якобашвили О.П. Обнаружение крепких включений в осадочных породах методом преломленных волн. В сб.: Физика горных пород и процессов. М., МГИ, 1966, JS 54, с.47-53.

44. Якобашвили О.П. Сейсмический способ картирования взрываемых блоков. Труды УП Международной конф. по взрывным работам. Москва-Прага, 1982.

45. Сиренко В.Н., Якобашвили О.П. Исследование состояния разрабатываемого массива сейсмоакустическими методами. Труды МирГЭМ, Вып.52, М., МЙРГЭМ, 1964.

46. Авербух А.Г. Интерпретация материалов сейсморазведки преломленными волнами. М., Недра, 1975.

47. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. М., МГУ, 1981, 176 с.

48. Гамбурцев Г.А. Корреляционный метод преломленных волн. М., изд. АН СССР, 1962.

49. Дяховицкий Ф.М. Методика и интерпретация данных сейсморазведки при инженерно-геологическом картировании (обзор). М., ВИЭМС, 1970.

50. Поперечные и обменные волны в сейсморазведке. Под ред. Пузнрева H.H. - М.: Недра, 1967.

51. Облогина Т.И. О дифрагированных сейсмических волнах.-В кн.: Прикладная геофизика. Вып.20. М.: Гостоптехиздат, 1958.

52. Черняков А.Б., Потапов A.M. Расчет динамических параметров упругих волн при выявлении крепких включений в мягких вскрышных породах разрезов КАТЭК. -В кн. Тезисы докл. П научного семинара по горной геофизике. -Тбилиси: ИШ АН ГССР, 1983, с.18.

53. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: ГИТТЛ, 1954.

54. Петрашень Г.И. О моделировании процессов распространения сейсмических волн. В сб.: Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Вып.7. Л., ЛГУ, 1964.

55. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976.

56. Ивакин Б.Н. Методы моделирования сейсмических волновых явлений. -М.: Наука, 1969, -287 с.

57. Чеголина П.М. Автоматизация спектрального и корреляционного анализа. -М.: Энергия, 1969. 384 с.

58. Полшков М.К. Теория аналоговой и цифровой сейсморазве-дочной аппаратуры. М.: Недра, 1973.

59. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. -М.: Недра, 1969. -204 стр.

60. Системы цифровой регистрации и обработки данных сейсморазведки. М., ВИЭМС, 1977.

61. Разведочная геофизика на рубеже 70-х годов. М., Недра, .1974.

62. Алексеев A.C. и др. Полевые вычислительные системы обработки геофизической информации. Новосибирск, СО АН СССР, 1983, № 421, 62 с.1. Опубл. 14.01.83г.

63. Цифровая сейсморазведочная станции ССЦ-3. Каталог геофизической аппаратуры, ГА. 01.04.37., JI., Недра, 1975,4 с.

64. Сейсмоакустический регистратор. Каталог геофизической аппаратуры, ГА.03.00.28, Л., Недра, 1978, 4 с.

65. Попов А.Я., Языков И.С. Возможности нормативных сейсмических станций с накоплением сигнала в исследованиях состояния породного массива. "Горн.геофиз. научн.-техн. семинар, Ткибули, 1981. Тез.докл.", Тбилиси, 1981, 185-188.

66. Сейсмостанция-накопитель цифровая СНЦ-I. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 3-д Казгеофизприбор, Алма-Ата, 1982, 96 стр.(рукопись).

67. Sj/St&sT?. '¿'cxrssZt?*? /¿^xeps, ^Jo^rp75. /77sSossf- £? srrcJ * гЛг/Р&гс?76. ^¿^y^^^y sЛ froste^ APi/^7?. /Vc~S&<-'s seSs/TPsir o-rgs/sSsYs 'ö)/? sts&sr?.1. КО с о о 'Jb/><?/7y

68. Сейсмическая аппаратура -415./¿¿s/^e* , Варшава, 1982,5 с.

69. Харкевич A.A. Спектры и анализ. Физматгиз, 1962.

70. Инструкция по сейсморазведке. -М.: Неда, 1973.

71. Справочник геофизика, т.ГУ, Сейсморазведка. -М.: Недра,1966.

72. Потапов А.М. Обнаружение твердых включений во вскрышных породах угольных месторождений. -Науч.тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. Технологические процессы открытых горных работ и их совершенствование. Вып. 211/. -М.: 1982, с.97-100.

73. Определение экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М., ГК СМ СССР по науке и технике, 1977.

74. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.:1969.

75. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы матема-тико-статистической теории обработки наблюдений.

76. Тестер Ю.Б. и др. Применение математико-статистических методов в горном деле. Обзор. М.: Цветметинформация, 1973, 80 с.

77. Применение математических методов для обработки геологической информации по угольным месторождениям. Методические рекомендации. Ростов-на-Дону, 1972, 46 с.

78. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. Перев. с англ. под ред. Линника Ю.В. Иностранная литература, 1956.

79. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Физматгиз, 1962.

80. Инструкция по сейсморазведке. -М.: Неда, 1973.

81. Справочник геофизика, т.1У, Сейсморазведка. -М.: Недра,1966.

82. Потапов А.М. Обнаружение твердых включений во вскрышных породах угольных месторождений. -Науч.тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. Технологические процессы открытых горных работ и их совершенствование. Вып. 211/. -М.: 1982, с.97-100.

83. Определение экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М., ГК СМ СССР по науке и технике, 1977.

84. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.:1969.

85. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы матема-тико-статистической теории обработки наблюдений.

86. Тестер Ю.Б. и др. Применение математико-статистических методов в горном деле. Обзор. М.: Цветметинформация, 1973, 80 с.

87. Применение математических методов для обработки геологической информации по угольным месторождениям. Методические рекомендации. Ростов-на-Дону, 1972, 46 с.

88. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. Перев. с англ. под ред. Линника Ю.В. Иностранная литература, 1956.

89. УТВЕРЖДАЮ: Технический директор22 августа 1983 г. г. Красноярск

90. ПРОТОКОЛ технического совещания по рассмотрению результатов опытно- промышленных испытаний "Методики обнаружения твердых включений высокочастотным корреляционным сейсмическим способом", разработанной ЙГД им. А. А. Сочинского.

91. На основании дискуссии по представленным материалам совещание ПОСТАНОВЛЯЕТ:

92. Полученные результаты по апробации "Методики,.", а именно:а) Выявление наличия включения в толще вскрышных пород;б) Точнбсть оконтуривания включения на плане поверхности уступа;считать удовлетворительными.

93. Совещание считает целесообразным:

94. Ходатайствовать перед Техническим Управлением Минуглепрома и Союзуглегеологией о развертывании регулярных работ с применением "Методики.", разработанной И1Д им. А.А.Скочинского.

95. От ЙГД им. А.А.Скочинского

96. Ми? Черняков А.Б. ^^^¡^Потапов А.М.

97. От ПО"Красноярскуголь" разрез "Бородинский"• Капинос А.П.1. Маштаев С.П.1. ПРОШЕНИЕ I.

98. Программа расчета интенсивности вторичных воли на поверхности массивал И ,0 g } -э i uL si h gle7л 7л у 11 m 3'J3 3 let H= . 8 i 2

99. О с' -t 3 т •• • t m й g eiTi г о fro me 2 ,i33 к, 3 rt le 13,2ь,- 25, 13 j г g r L. ~ 5 to 15 stef3 '3 с' erfi ge 3 3 и н!. is 8 2 . >j , ^ 5

100. С г1 3 Vrt. i 15 8 .2,-24,532 ^ f:r h= 1 8 t 5 33 step ! 8т "i г g r t ¡J j-5 it e. г32 "IT r-4 l iL. < >-4 . i" 1. , , + h t тнн 1 3j TL' j

101. S •It 3 let ft ~ ri ■1-2+ -:xtl'-2: 12j 7 ,J uET = t ни : i --з: ■!. :: sci. g32 — ' "— t С *- с H f' 2 + {¡\ + L 21 -f - с J3 Г" T D г л 32 33 ie t e = e AF i2*Z*Z32 d 5 l.et R = il *e п

102. Зч 1 3 let К l ri : 13*lgt -.R-J1.J 3 r-izx 7 3 i ! G V К С 51.

103. И ■+ 3 for i " u TG 25 STEF0 г F LG J. к i i j

104. J :л 3 К! ^ ' ' < 1 C .' . i x •

105. С Ч "7 "Л : i g v e 1 , к : 5 j3 he.; t и 1. С I- 3 l> к ri J е ,5 3 iiE>: ■т* j - emg sting