автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка критериев прогноза тектонических нарушений угольного пласта на основе методов математического моделирования

4-"/ у

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ГЛУХО В Александр Александрович

УДК 622.839:'550.83

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ПРОГНОЗА ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ 'МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Украинском государственном научно-исследовательском и проектно-жонструкторском институте горной геологии, теомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ).

Научный консультант * докт. геол.-минер, наук, проф. АЗАРОВ Н. Я-

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, лроф. ШКУРАТНИК В. Л., канд. техн. наук РУБАН А. Д.

Ведущее предприятие — ИПКОН РАН, т. Москва. Защита диссертации состоится « .• 1992 г.

в час. на заседании специализированного совета

К-053Л'2..05 Московского .горного института по адресу: 117935, Москва, Ленинский ¡проспект, 6, МГИ.

С диссертацией можно ознакомиться ® библиотеке института.

Автореферат разослан « . . . »...... 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. нау.к, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Совершенствование 'прогрессивной технологии добычи угля на базе высокоэффективной техники должно сопровождаться надежной оценкой горно-геологических, условий выемки подготовленных к обработке угольных пластов. Выбор наиболее оптимальной технологии проведения работ должен основываться на достоверной информации об условиях эксплуатации добычных участков. Наблюдаемая в угольной промышленности тенденция перехода от разработки лучших по горно-теог логическим условиям залегания месторождений к освоению худших значительно осложняет проблему 'прогноза типа и параметров нарушенности угольных пластов.

■Переход горно-геологических нарушений подготовительными и очистными выработками приводит к осложнению управления кровлей, увеличению расхода крепежных материалов, повышению зольности угля, трудоемкости работ, снижению производительности труда вплоть до преждевременной остановки горных работ. Все это ухудшает экономические показатели подготовительных и очистных работ и работу шахты в целом.

Поэтому особую важность имеют сейсмоакустические методы, с .помощью которых наиболее успешно решаются задачи оперативного прогноза в пределах уже нарезанных и подготовленных к отработке выемочных столбов и лав. Однако средний уровень надежности сейсмоакустического прогноза не превышает 70%. О'н зависит от конкретных горно-теологических условий и применяемой аппаратуры.

Одним из возможных путей повышения надежности сей-смоа'кустического прогноза является применение методов математического моделирования для предварительной оценки информативных параметров волнового поля, и выбор на этой основе оптимальных условий для его возбуждения и регистрации. Это повышает надежность интерпретации и полноту извлечения информации.

Таким образом, актуальной является задача разработки информативных критериев и методики определения типа и параметров тектонических нарушений на основе установления

закономерностей процесса изменения параметров волнового поля при его распространении через 'нарушения угольного пласта.

Цель работы — установить закономерности процесса изменения параметров волнового поля при распространении его через малоамплитудное тектоническое нарушение угольного пласта и разработать информативные критерии и методику определения типа и параметров нарушения, повышающих на: дежность и эффективность сейсмоакустичеокого метода.

Идея работы заключается в использовании закономерностей изменения характеристик волнового лоля при его распространении через тектонические нарушения для разработки критериев и методики определения типа и параметров этих нарушений.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

' разработан способ снижения погрешности жонечно-разно-стного метода математического моделирования процесса распространения волнового поля в угленосной толще, впервые основанный на экстрополяции решения на граничные точки счетной решет.ки с учетом пространственного расхождения;

— установлены теоретические зависимости между параметрами тектонического нарушения и амплитудой, частотными и скоростными характеристиками каналовых и боковых волн, структурой сигнала в целом, впервые учитывающие степень изменения физи-ко-механических (параметров среды в зоне нарушения и ее протяженность;

— впервые установлено расположение относительно центра пласта зон наиболее благоприятных для регистрации сейсмоакустическим методом изменения параметров пакетов колебаний 'каналовых и боковых волн всех типов при наличии тектонических нарушений;

— установлены информационные критерии, новизна которых заключается в комплексном использовании наряду с параметрами каналовых и боковых волн характера изменения конфигурации сигнала в целом;

— »разработала методика сейсмоакустичеокого прогноза малоамплитудной тектонической нарушенности угольного пласта, влервые основанная на 'применении конечно-разностного метода математического моделирования для предварительной оценки информативных параметров волнового поля и выбора оптимальных условий его возбуждения и регистрации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

достаточной степенью надежности (0,98) применяемого метода математического моделирования, использованного автором для решения задачи;

удовлетворительной сходимостью результатов прогноза амшлитуд тектонических нарушений в реальных условиях с их фактическими значениями (среднеквадратичная погрешность — 15%; 'Вероятность 0,9);

положительными результатами внедрения в производство разработанных с участием автора методики и критериев определения типа и параметров тектонической нарушенное™ угольных пластов.

Значение работы.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости между конфигурацией волнового поля, информативными параметрами волновых пакетов и параметрами тектонических нарушений разных типов, уточняющих теорию сейсмоакустического метода прогноза условий залегания угольных пластов .в зонах .перекрещивающейся нарушенности.

(Практическое значение работы состоит в установлении закономерностей процесса изменения -параметров волнового поля при распространении его через тектонические нарушения и в разработке на этой основе методики выявления и идентификации нарушенное™ угольного пласта при использовании предварительного прогноза параметров волнового поля с помощью математического моделирования, что позволяет увеличить надежность шахтных сейсмоакустических исследований. Основные положения реализованы в «Комплекте программ моделирования -процесса распространения волнового поля в угленосной толще» и в «Методике определения типа и параметров тектонической нарушенное™ угольных пластов».

Реализация выводов и рекомендаций работы. «Комплект программ моделирования процесса распространения волнового поля в угленосной толще» зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и ¡программ и использован в экспедиции «Печоруглеразведка» и в ПО «Октябрьуголь». Разработанная при участии автора «Методика определения типа и параметров тектонической '-нарушенное™ угольных пластов», использующая указанный «Комплект'программ...», внедрена в У'крНИМИ с подтвержденным экономическим эффектом 32,57 тыс. руб. (в ценах 1991 т.), при долевом участии автора 40%.

Апробация работы. Основные положения и результаты ра боты докладывались на секции НТС УкрВИМИ (1989— 1992 гг.), на VI Всесоюзном семинаре «Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород» (Новосибирск, 1991 г.), -на научно-технической конференции, посвященной 20-летию кафедры технологии и техники геолого-разведочных работ Донецкого политехнического института (Донецк, 1991 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовало .пять печатных ра'бот.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и содержит 180 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 2 таблицы, описок литературы из 129 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время методы сейсмоакустического прогнозирования горно-геологических условий залегания угольных пластов нашли широкое применение. Они используются для прогноза нарушений различных типов ка'к в пласте, так .и во вмещающих породах, для прогноза зон повышенного горного давления, взрывоопасных зон.

Начало применению сейсмоакустических методов было положено за рубежом Т. Кгеу и в СССР В. Е. Крупкным. W. Thomson, одним из первых, разработал матричный метод, позволяющий получить решения для jV-слойной плоскопараллельной среды. Позднее 'Появились модификации этого метода, разработанные рядом автором. Кроме того, производился поиск других путей описания процесса распространения волнового поля в углевмещающей толще. Следует отметить разработки Левшина А. Л., Кейлис-Борока, Бреховских Л. М., Петрашень Г. И., Гильберштейн П. Г., Данилова В. Н. На этих работах и на анализе экспериментального материала проводилось совершенствование теоретических основ сейсмоакустического метода и путей практического использования. В начале в качестве информативных параметров волнового поля использовались характеристики интерференционных Качаловых волн поляризации Лява и Релея. Первые работы по выявлению нарушений с помощью сейсмоакустического метода с помощью этих параметров были проведены Ю. Г. Мяс-никовым и Ю. С. Исаевым в условиях Подмосковного угольного бассейна. Позднее метод был успешно применен и в других регионах. Применительно к самым разнообразным условиям нсполь:ования каналовых волн Н. Я. Азаровым, В. С. Ямщиковым, Е. С. Ватолиным, В. К. Поляковым, А. В. Анциферовым, В. Н. Даниловым, Н. И. Киселевым были разработаны основы общего подхода к решению задачи о распространении и рассеянии каналовых волн, разработаны обобщенные сейсмогеологические модели, получены теоретические сейсмограммы и ряд основных зависимостей между условиями залегания пласта и параметрами волнового поля. На основе методов моделирования и анализа экспериментальных данных разработаны критерии и методики для обнаружения и описания нарушений различных типов при использовании каналовых волн в качестве основного инструмента. Позднее

получили развитие методы, основанные на применении боковых волн. Они базировались на теоретических разработках В. Н. Данилова и Л. С. Метлова. Впервые боковые волны в качестве инструмента шахтной сейсморазведки были использованы Тиркелем М. Г. для прогноза карстовых нарушений, выходов известняка, мульд в условиях Подмосковного угольного бассейна. Существующая тенденция усложнения горногеологических условий залегания разрабатываемых пластов требует создания более совершенных методик определения типа и параметров нарушений, основанных на комплексном применении различных типов волн, что требует применения и новых подходов к математическому моделированию процесса распространения волнового поля.

В настоящее время развитие ЭВМ позволило применять конечно-разностные методы математического моделирования процесса распространения волнового поля. Теоретические основы их применения были положены за рубежом исследователями: Aki К-, Larner К. L., Smith W., I<orn М., Stock Н., Boore D. М. и др. Ими была доказана возможность и целесообразность применения конечно-разностной схемы для задач шахтной сейсморазведки.

Однако, наряду с имеющимися определенными успехами в развитии сейсмоакустического метода имеется и ряд серьезных недостатков. Во-первых, надежность его. применения в сложных горно-геологических условиях не превышает 70%. Это связано с многообразием факторов, влияющих на формирование информативных волновых пакетов, а также недостаточной разработанностью теоретических положений, которые могли бы в полной мере учесть это многообразие. Одним из путей повышения информативности, а, следовательно, и надежности шахтной сейсморазведки является разработка методик, которые применяют в качестве инструмента весь комплекс волновых пакетов сейсмического сигнала, включая те, которые порождены воздействием нарушения. Наиболее общий подход к разработке таких методов может быть достигнут с помощью метода конечных разностей, примененного для описания процесса распространения волнового поля, поскольку он позволяет в наиболее простой форме моделировать влияние различных факторов, и в то же время давать целостную картину процесса. Но применение такого подхода затруднено ввиду высоких требований к возможностям ЭВМ и существенных трудностей решения проблем, связанных с возникающими погрешностями.

На основании анализа литературных источников и результатов натурных наблюдений для усовершенствования сенсмоакустического метода прогноза нарушенное™ угольного пласта в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработан надежный метод компактной реализации конечно-разностного подхода к математическому моделированию процесса распространения волнового поля в среде, содержащей угольный пласт с нарушениями и без них.

2. Разработано программное обеспечение, реализующее этот метод.

3. Исследована зависимость конфигурации сигнала в целом и параметров отдельных пакетов от структуры и физико-механических характеристик среды и типа источника.

4. Разработана схема моделирования различных типов малоамплитудных тектонических нарушений угольного пласта, применительно к используемому методу расчета волнового поля.

5. Исследована зависимость общей конфигурации и характеристик отдельных пакетов сигнала от типа и параметров нарушения.

6. Разработаны информационные критерии и методика определения параметров и типа нарушений угольных пластов, позволяющие более надеж-но решать задачи шахтной сейсморазведки.

Конечно-разностный метод решения задачи о распространении волнового поля в углевмещающей толще использует систему волновых уравнений Навье — Стоксаи /¡лме:

д2у . о М Л. 2,/ ^ дгу ^ . А- д2у ■

--Ь 2а--а2У — К\\--Ь А 12--Ьа.з-—■ •

дГ- дt дх3 дхдг дг2 '

д'ХГ.-дТУ , яМ17 к д2у Л-К .

+ О)

д12 ¿х2 ¿г2

Конечно-разностное представление этой системы выбрано ¡по стандартной схеме, описанной Аки К. и Ричардсом П. и записано в форме, удобной для реализации на ЭВМ:

= Вп Урт^ + В, Урп, ,г + В,(Урт „ + У"м-и п ) + -\-В,{Упт,^л + Ут,п-1) + + въ (\уртЛя+1 + „-1 - 1, я-1 - С-.,«+!); . ^=в№рт:1п + и?*. „ + в, (щ, „,, + щ. в-1) +

+ Вь(Уиг.«+1+ V*-!. п-1-У?щ 1.Я-1— я+1); (2:

= 50 + ДУЙ, „ + 02 № „и + ирт. п-1) +

где т = \, ..., М — номер узла счетной решетки вдоль горизонтальной оси х, п = 1, ..., N — вертикальной оси I, выбранной декартовой системы координат; р — номер шага по времени; V, и, №— х, у, г компоненты смещения соответственно, В1 и О; вычисляются по следующим формулам:

о _ 2з

= ) (1 + 2,1);

в, = в,

4<

где от — коэффициент затухания; ц и к — модули сдвига и сжатия; р — плотность; Л— шаг дискретизации счетной решетки; А1 — выбранный шаг дискретизации по времени, удовлетворяющий условиям устойчивости:

.* ,, . Л

V шал + "У2/) тах ^ шах

где Ущих и иртах — максимальные скорости сдвиговых волн и волн сжатия в модели.

Для решения проблемы, связанной с возникновением «отражения» моделируемого волнового поля от границ счетной решетки предложено в -пограничных узлах попользовать соотношения, полученные эмпирическим путем при апробировании различных методов экстраполяции решения:

УРт,Ъ = 2 Ут, дг-1 — УтТм-? — на верхней границе;

Ут1~1 =2Ут.2 — Ут7э — иа нижней границе;

У\^п —2У%п — уа —на левой границе;

УЦ\ = 2 Ум-и п — УлГ-2, п — на правой границе;

которые «переносят» значения смещений из соседних узлов с учетом изменения амплитуды колебаний волнового поля.

Для моделирования процесса возбуждения волнового поля предлагается использовать наиболее простую из известных схем, основанную на задании дискретных функций источника V, U" и W в соответствующих его положению в среде узлах счетной решетки. Для исследований использована функция источника с частотным диапазоном от 20 до 600 Гц, полученная в результате специальных натурных экспериментов.

Моделирование тектонических нарушений предложено производить на основе подхода Korn М. и Stock Н., вводя в модель дополнительно и параметры, соответствующие зонам изменения физико-механических свойств среды вблизи смести-теля. В качестве базовых использованы следующие параметры:

— ширина зоны трещиноватости — по 15 метров в каждую сторону от сместителя;

— степень изменения акустических свойств угля — 40%;

— степень изменения акустических свойств пород — 20%.

Для реализации метода конечных разностей разработан

алгоритм и реализовано соответствующее программное обеспечение, позволяющее как получить наборы теоретических сейсмограмм и томограмм .волнового .поля, так и исследовать основные кинематические и динамические параметры волновых пакетов.

■Проверка работоспособности программы на тестовых примерах показала полное соответствие результатов счета к тем, которые были ранее .получены Korn М. >и Stock Н., что позволило ее применять для анализа параметров волнового поля.

Разработанное программное обеспечение было использовано для численных экспериментов по описанию структуры и параметров волнового поля в ненарушенной среде с целью углубленной проверки работоспособности алгоритма и выделения особенностей процесса распространения колебаний, позволяющих увеличить надежность применения сейсмоакусти-ческого метода. Рассмотрена зависимость структуры и параметров волнового поля от мощности пласта, резкости акустических границ, структуры волновода. Проведен анализ, скоростных, амплитудных, энергетических и частотных характеристик :волновых пакетов различной-природы. Установлено, что общий вид сигнала существенно зависит от ряда факторов, главные из которых: мощность пласта, частотный спектр источника, акустические свойства пласта и пород. Как показали результаты проведенного теоретического анализа и опыт натурных наблюдений, существуют три основные возможности конфигурации сигнала:

а) На пластах мощностью менее 1 м следует ожидать регистрации сигнала, состоящего из пакетов боковых волн со скоростями и V р в породах почвы и кровли пласта. Максимальный по амплитуде участок распространяется со скоростью, близкой к меньшей из в породах.

б) На пластах мощностью 1,0—2,0 м формируется сигнал сложной конфигурации, состоящий из трех основных частей: пакетов боковых волн с доминированием 'последнего по времени прихода, головной части пакета каналовых волн (часто наблюдаемой в виде самостоятельного пакета), со скоростью распространения в промежутке между в угле и в породах, пакета каналовых волн соответствующих фазе Эйри со скоростью распространения максимума огибающей 0,9и 5 в угле. Степень разделимости пакетов по времени вступления определяется скоростными параметрами пород и угля. Доля переносимой ими энергии существенно зависит от мощности пласта и типа применяемого источника. При увеличении мощности этот показатель растет для пакета каналовых волн в фазе Эйри за счет головной части пакета каналовых волн и пакетов боковых волн. При использовании взрывных источников, а также на пластах мощностью близкой к 2 м, возможно наблюдение полного набора пакетов. При использовании ударных источников наблюдение каналовой волны в фазе Эйри, для мощностей пласта близких к 1 м, маловероятно.

в) Пласты мощностью более 2 м формируют сигнал как мощные пласты. Поле сейсмических колебаний в мощном пласте имеет достаточно простой вид. Формируется сигнал, состоящий из двух основных частей: каналовой волны, соответствующей фазе Эйри, и пакетов боковых волн. Каналовая волна неоднородна по своей структуре. Начало пакета формируется преимущественно колебаниями продольных волн, а заключительная часть — колебаниями поперечных волн.

Наряду с пакетом каналовых волн нулевой моды на сейсмограммах релеевоких компонент возможно наблюдение пакетов, обусловленных вкладом более высоких мод с преобладанием компоненты колебаний и амплитудой, уступающей амплитуде нулевой моды.

Кроме того, установлен ряд особенностей, которые необходимо учитывать при прогнозировании вида сигнала и его параметров:

— при наличии в почве либо в кровле пласта прослоя с отличными от граничащих пород акустическими свойствами, (например в случае присутствия ложной кровли) возможно формирование волнового пакета, соответствующего по своим параметрам пакету каналовых волн, формируемых волноводом «уголь+прослой» с «эффективными» для этой структу--ры акустическими параметрами;

— кроме формирующегося при участии угольного пласта основного волновода, породными слоями могут формироваться дополнительные.

Изменение параметров вмещающих пород и угля, вызывающее усиление резкости акустических границ независимо от мощности пласта, приводит к ряду последствий:

— к усилению концентрации энергии х и у компонент колебаний в центре пласта, а г компоненты — в породах в пограничной к пласту области;

— к удлинению пакетов Качаловых волн за счет усиления проявления дисперсии;

— к увеличению видимой частоты регистрируемого сигнала за счет ослабления вклада низкочастотных составляющих;

— к смещению максимума огибающей пакетов каналовых волн в хвостовую часть пакета за счет относительного возрастания вклада высокочастотных колебаний;

— к увеличению амплитуды каналовой волны соответствующей фазе Эйри;

— к увеличению разности во времени прихода пакетов боковых и каналовых волн соответственно величине разности между скоростями сдвиговых .волн в угле и породах.

В результате проведенного анализа особенностей процесса распространения сейсмических колебаний в угленосной толще сделаны выводы об информативности компонент волнового поля и даны рекомендации .по оптимальной регистрации отдельных пакетов сигнала:

— Результаты численных расчетов говорят о том, что в типичных условиях переносимая компонентой колебательная энергия в 2—3 раза превышает ее уровень для х и г компонент.

— Результаты численных расчетов говорят о том, что х и у компоненты колебаний в большей мере, чем г, формируются в области пласта и переносят информацию о пласте и ближайших к нему породах; г компонента в большей мере несет информацию о границах раздела «пласт — порода» и о вмещающих пласт средах.

— Информацию о параметрах угля переносят все пакеты колебаний, в большей мере — каналовая волна, соответствующая фазе Эйри, затем — головная часть пакета каналовых волн и в меньшей мере — боковые волны.

— Для регистрации сигнала наибольшей амплитуды на ненарушенном пласте для х и у компонент целесообразно расположить приемники по центру пласта, для г компоненты— вблизи его границ. Для регистрации г компоненты можно расположить приемники вне пласта во вмещающих породах тем дальше от границ пласта, чем меньше его мощность и слабее акустические границы.

— Для регистрации пакетов боковых волн па пластах ма-ой мощности целесообразно расположить сейсмоприемники о центру пласта, а на мощных пластах — вблизи границы о средой непосредственно участвующей в формировании ин-ересующего пакета.

— Для тонких пластов максимум энергии х и у компонент олебаний пакетов каналовых волн переносится по границам,

для мощных — по центру пласта. В центре тонких пластов бычно наблюдается локальный максимум, сравнимый по начению с максимумами на границах. Его величина по от-ошению к ним возрастает с увеличением мощности пласта. [,ля г компоненты основные максимумы сдвинуты от грани-ы пласта в породы на расстояние, обратно пропорциональное езкости акустических границ. По центру пласта переносится [инимальное количество энергии.

— Для пакетов боковых волн любых компонент макси-альное количество энергии переносится по границам плата вне зависимости от его мощности.

— Разница в резкости акустических границ в почве и ровле пласта слабо влияет на расположение относительно ентра пласта максимумов амплитуд пакетов каналовых волн ля х и у компонент. Падение амплитуды более крутое в сто-ону более резкой акустической границы. Для г компоненты та разница существенна. В этом случае максимумы аМпли-уды располагаются несимметрично относительно центра ласта. Расстояние от него и значение амплитуды тем боль-1е, чем меньше резкость акустических границ.

Анализ результатов моделирования процесса раопростра-ения волнового поля в ненарушенной среде показал, что выеденные с помощью метода конечных разностей особенно-ги формирования волнового поля в углевмещающей толще информативные характеристики пакетов волнового поля орошо согласуются с результатами натурных экспериментов основными положениями теории, что убеждает в правиль-эсти выбора метода моделирования для решения поставлен-эй задачи.

Далее был проведен ряд численных экспериментов по мо-глированию процесса прохождения волнового поля через гктонические нарушения различных типов. Была исследова-а зависимость структуры сигнала, кинематических и дина-ических параметров отдельных волновых пакетов от ампли-/ды нарушения и степени изменения параметров угля и вме-.ающих пород. Поскольку, как показал проведенный анализ груктуры и параметров волнового поля в ненарушенной сре-мощные и тонкие пласты каналируют колебательную ¡ергию по-разному, отдельно были рассмотрены процессы аспространения волнового поля через нарушения на пластах ¡ачительной мощности и на тонких пластах.

На основе анализа результатов установлен ряд особенностей прохождения волнового поля через тектонические нарушения мощных угольных пластов:

— На наличие нарушения в большей мере реагируют колебания у и г компонент волнового поля. Причем у компонента— по степени зависимости параметров колебаний пакета каналовых волн от характеристик нарушения, а 2 компонента — по изменению общей структуры сигнала.

— Нарушения с амплитудой в мощность пласта приводят к смещению максимумов частотного спектра пакетов каналовых волн в низкочастотную область от 10 до 40 Гц, а пакетов боковых волн — от 5 до 20 Гц в зависимости от характеристик зоны изменения физико-механических параметров.

— Тектонические нарушения типа сброс на мощных пластах приводят к понижению значений скоростных параметров всех пакетов сигнала на величину от 10% и выше, в зависимости от характеристики зоны изменения физико-механиче ских свойств.

— Тектонические нарушения типа надвиг на мощных пластах приводят к понижению значений скоростных парамет ров всех пакетов сигнала на величину до 10%.

— На сейсмограммах волнового поля при наличии нару шения, соизмеримого с мощностью пласта и сопровождающе гося зоной изменения физико-механических свойств с любы ми параметрами, проявляются пакеты «выплеска» «олебатель ной энергии, соизмеримые по амплитуде с основными пакета ми сигнала и изменяющие общую его конфигурацию.

— Зона наибольшего реагирования волнового поля на на личие нарушения для .пакетов каналовых волн всех компонент располагается на границах пласта.

— Зона наибольшего реагирования на нарушение любы: типов боковых волн располагается на границе, ближайшей \ уровню первоначального залегания пласта.

— Установлена аналитическая зависимость амплитудь пакетов каналовых волн х и у компонент от амплитуды на рушения с типичными (см. выше) параметрами зоны измене ния физико-механических свойств пород:

А = А0е (5

-где 2 — отношение амплитуды смещения и мощности пласта Ло=100%, коэффициенты а\ и аг принимают следующие зна чения:

для х компоненты а\ = —0,13, аг = — 1,96; для у компонен ты а, = —0,41, а2 = 0,22.

Теоретическая среднеквадратичная погрешность зависимо сти сг=3,5%.

— Установлена аналитическая зависимость амплитуды пактов каналовых волн х и у компонент от дистанции хода :ейсмического луча по зоне изменения физико-механических тараметров:

+ + (С)

\це £—дистанция хода сейсмического луча по зоне наруше-1ия (в м); Ао = 100%, коэффициенты 6Ь Ь2 и Ьз принимают :ледующие значения:

для х компоненты = —2,1, ¿2 = 0,041, = 0,0003; для у сомпоненты Ь\=—3,1, ¿2 = 0,064, 6з = 0,0005.

На основе проведенного анализа особенностей прохожде-шя вол нового поля через сейсмические нарушения на уголь-1ых пластах малой мощности установлено следующее:

— На наличие нарушения в большей мере реагируют ко-1ебания х компоненты волнового поля, как по степени зави-:имости параметров колебаний пакета каналовых волн от сарактеристик нарушения, так и по изменению общей структуры сигнала.

— Прогнозирование зависимости амплитуды колебаний 2 сомпоненты волнового поля от параметров нарушения затруднено ввиду существенной зависимости от конкретных /словий залегания.

— Нарушения в мощность пласта любых типов приводят ( смещению максимумов частотного спектра пакетов канало-шх волн в низкочастотную область на величину от 5 до 30%, 1 пакетов боковых волн — от 5 до 20% в зависимости от ха->актеристик зоны изменения физико-механических парамет-

)ОВ.

— Тектонические нарушения типа надвиг на тонких платах не приводят к понижению значений скоростных пара-1етров сигнала.

— Аналитическая зависимость амплитуд пакетов боковых I каналовых волн всех типов для х и у компонент колебаний юлнового поля от амплитуды сброса с типичными парамет-1зми зоны изменения физико-механических свойств пород [меет вид:

А = А0е'а>г+а^> (7)

де г — отношение амплитуды нарушения и мощности пласта; 1о=ЮО%, коэффициенты а\ и ац в зависимости от компонен-ы и типа пакета принимают значения:

а) для х и у компонент пакета каналовой волны соответ-твующего фазе Эйри а[ =0,03, а2 =—0,73;

б) для х компоненты головной части пакета каналовой олны а, =—0,402, а2 = —0,096;

в) для у компоненты головной части пакета каналовой олны а, =—0,38, а2 = 0,0017;

г) для продольных боковых волн а 1 =—0,322, «2 = 0,0074;

д) для поперечных боковых волн а\ = —0,201, аг = 0,0088;

Теоретическая наибольшая среднеквадратичная погрешность зависимости ст=1,2%.

— Аналитическая зависимость амплитуды пакетов кана-ловых волн х и у компонент от дистанции распространения волнового поля по зоне изменения-физико-механических параметров имеет вид:

Л = Л0 + с1 -+ с31* + (8)

где Ь — дистанция распространения волнового поля по зоне (в м), Л0= 100%; коэффициенты с1 принимают следующие значения:

а) для х компоненты С\=—2,01, с2 = 0,02, сз = —0,001;

•б) для у компоненты С\ =—1,25, с2 = 0,012, с3 = 0.

Теоретическая наибольшая среднеквадратичная погрешность зависимости а=2,4'%.

— Аналитическая зависимость амплитуды головных пакетов каналовых волн х и у компонент от амплитуды нарушения типа надвиг для случая типичных характеристик зоны изменения физико-механических параметров имеет вид: '■

Л = Л0е<а'гн+а-г!н,! (9)

где г„ — отношение амплитуды надвига и мощности пласта; Л0=100%; коэффициенты а\ и а2 в зависимости от компоненты и типа пакета принимают следующие значения:

а) для х компоненты головного пакета каналовой волны а, =—0,23, а2 = —0,34;

б) для у компоненты головного пакета каналовой волны 01=— 0,47, а2 = —0,025.

Теоретическая максимальная среднеквадратичная погрешность зависимости о=1,1%.

— На сейсмограммах волнового поля при наличии нарушения, соизмеримого с суммарной мощностью пород, слагающих волновод, проявляются пакеты «выплеска» колебательной энергии, изменяющие общую конфигурацию сигнала.

— Зона наибольшего изменения конфигурации сигнала находится на ближайшей к уровню расположения источника границе пласта.

— Зона наибольшего реагирования волнового поля на наличие нарушения для пакетов каналовых волн всех типов для х и у компонент располагается по центру пласта.

— Зона 'наибольшешго реагирования на нарушение любых типов боковых волн располагается по центру пласта.

На основе полученных результатов была сформулирована :истема комплексных критериев (табл. 1, 2), использующая в <ачестве информативных частотные, скоростные и амплитуд-1ые параметры волновых пакетов различной природы и характер изменения общей конфигурации сигнала. Использова-ше этих критериев позволило разработать методику опредс-тения типа и 'Параметров тектонических нарушений угольных хластов. В основе методики лежит предварительный прогноз :труктуры и параметров волнового поля при использовании априорных знаний об условиях залегания угля и численного жоперимента по выявлению наиболее информативных характеристик волнового поля, путей оптимизации возбуждения и зегистрации сигнала.

На основе результатов численного эксперимента выявляйся общая структура сигнала, природа каждого из волновых 1акетов, сравнивается их информативность. Прогноз параметров волнового поля позволяет выбрать оптимальный на-5ор возбуждаемых компонент (л:, у или г), выбрать наибо-1ее информативные пакеты (боковых или каналовых волн), штимизировать процесс настройки аппаратурной базы. При шеющейся априорной информации о нарушении оптимизи->уется выбор системы наблюдений таким образом, чтобы в (аибольшей степени зафиксировать изменения в конфигура-хии и параметрах сигнала. На этане обработки информации ю скоростным и частотным показателям методами томографии выделяются аномальные зоны в плоскости выемочного тласта, которые затем распознаются с помощью набора кри-гериев и зависимостей (2—6). На этом этапе при необхо-химости проводятся дополнительные численные эксперимен-гы с использованием уточненных параметров для более пол-юго описания нарушения.

Опытно-промышленная проверка разработанного метода трогноза типа и параметров нарушенности угольных пластов 1роводилась сотрудниками УкрНИМИ на семи выемочных :толбах Донецкого угольного бассейна. Сопоставление ре-¡ультатов прогноза нарушенности с помощью разработанно-•о метода с возможностями базовой методики применения 11СС-1 «Дружба», ранее разработанной в УкрНИМИ пока-1ало, что надежность выявления нарушения повысилась на )%, а надежность определения его типа — на 15%.

Внедрение в УкрНИМИ разработанной при участии авто-)а «Методики определения типа и параметров тектонической щрушенности угольного пласта» позволило получить экономический эффект в размере 32,57 тыс. руб. Разработанный ¡Комплект программ моделирования процесса распростране-шя волнового поля в угленосной толще» зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ и использо-1ан ПО «Октябрьуголь» и экспедицией «Печоруглеразведка».

Таблица 1

Критерии прогноза тектонических нарушений угольного пласта мощностью до 2 м

Ампл. Изменение ампл. Понижение Уменьшение Появление

пар. (в мощ. пл.) характеристик частоты колебании волн, пакетов групповой пакета «выплеска» колебат. энергии

прод. поп гол кан скорости волн, пакетов

0,5 _ _ _ 50 5 10 Нет

1.0 — — 50 Не набл. • » —

1,75 35 — „ » „ • —

2,0 50 35 » , „ Есть

3,0 ч Не набл. • и • •

5,0 V • » » » - Доминир.

Таблица

Критерии прогноза тектонических нарушений угольного пласта мощностью более 2 м

Ампл. нар. (в мощ. пл.) Падение амплитуды пакета каналовых волн Понижение частоты максимума част, спектра Уменьшение групповой скорости пак. кан. волн Появление пакетов «выплеска» колеб. энергии

0,25 40 5 10 Нет

1,0 80 * Есть

2,0 Пакет не набл. • Доминируют

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной адачи — установления закономерностей процесса изменения [араметров волнового поля при распространении через нару-нение угольного пласта, что позволяет на основе разработан-юй автором методики повысить надежность применения сен-моакустического метода при прогнозе типа и параметров на-|ушения угольного пласта для выбора оптимальных путей чтения связанных с этим технологических задач. Основные результаты работы:

¡1. На основе применения конечно-разностной схемы и ис-юльзования нового метода подавления отражений от границ четной решетки, разработан и реализован в виде програм-1ного обеспечения общий подход к моделированию процесса распространения сейсмических колебаний в среде, содержа-цей угольный пласт с нарушениями и без, позволяющий на ¡азе единого алгоритма рассчитывать параметры волнового юля при наличии нарушений разных типов, и оперативно решать задачи предварительного прогноза параметров волново-о поля для выбора оптимальных условий его возбуждения

регистрации для повышения информативности сейсмоаку-тических исследований.

2. Установлено, что наличие тектонических нарушений [риводит к изменению конфигурации волнового поля, возник-ювен-ию дополнительных пакетов колебаний. Для регистра-ши таких волновых пакетов наиболее благоприятно расиола-ать сейсмоприемник на границах пласта. Если амплитуда юполнительных волновых пакетов соизмерима с амплитудой [акетов боковых и каналовых волн, то амплитуда нарушения ¡олыие двух мощностей пласта. В случае доминирования до-юлнительных волновых пакетов, амплитуда нарушения больше пяти мощностей пласта, при этом аналитические зависи-юсти амплитудных характеристик пакетов боковых и кана-говых волн позволяют определить амплитуду тектонических гарушений с точностью до 20%.

3- Установлено, что на пластах мощностью более 2 м для птимальной регистрации изменения параметров и компонент оковых и каналовых волн при наличии нарушения угольно-о пласта целесообразно размещение сейсмоприемников на го границах, а на пластах меньшей мощности — по центру.

•4- На основе комплексного использования параметров боевых и каналовых волн и исследования характера конфигурации сигнала, .разработаны информационные критерии и ме-одика, позволяющие повысить надежность сейсмоакустиче-кого прогноза типа и парраметров малоамплитудной нару-^нности угольного пласта на 15% и оптимизировать выбор

2

17

путей решения технологических задач, связанных с прохож дением нарушения.

5. «Комплект программ моделирования процесса распро странения волнового поля в угленосной толще» зарегистри рован в Государственном фонде алгоритмов и программ I использован в экспедиции «Печоруглеразведка» и в ПО «Ок тябрьуголь». Разработанная при участии автора «Методик; определения типа и ¡параметров тектонической нарушенност! угольных пластов», использующая указанный «Комплек программ...» внедрена в УкрНИМИ с .подтвержденным эконо мическим эффектом 32,57 тыс. руб. в ценах 1991 года, при до левом участии автора в ее разработке и внедрении 40%.

Основные положения диссертационной работы отражены следующих публикациях:

1. Глухов А. А., Пономаренко В. Г. К определению звуке вого поля. в слоистых средах методом итераций/Донецки гос. университет. — Донецк, 1987. — Деп. в УкрНИИНТ] 30.12.87. № 3353. 17 с.

2. Глухов А. А., Пономаренко В. Г. К определению звуке вого поля в слоистых средах/Донецкий гос. университет. -Донецк, 1987. —Деп. в У.крНИИНТИ 06.01.87. № 212, 17

3. Глухов А. А., Пономаренко В. Г. Определение звуковс го поля в слоистой среде//Физика твердого тела. Харько] ский гос. университет, 1988. — С. 19—22.

4. Комплект /программ моделирования процесса распр< странения сейсмических волн в угленосной толще//Анциф> ров А. В., Захаров В. Н., Глухов А. А. и др.//Каталог пр< граммных средств/Гос. ФАП,—М„ 1991.— № ГР 5091000037

5. Глухов А. А., Азаров Н. Я. Методы расчета поля се] смических волн на ЭВМ малой мощности./Оптимизация б рения скважин в усложненных условиях. Тез. докл. науч«' техн. конф., поев. 20-летию .каф, технологии и техники геол> го-разведочных работ. Донецк, изд-во ДПИ, 1991. — С. 32—3