автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка метода электромагнитного просвечивания массива для обнаружения крепких включений во вскрышных породах угольных разрезов

Министерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Октябрьской Революции н ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочннского

На правах рукописи

Валерий Иванович ШЕПЕЛЕВ

УДК 650.837:662.271.3(043.3)

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ МАССИВА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИИ ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I /

Москва 1090

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Сяочии-ского.

Научный руководитель - ,

проф., докт.техн.наук Е.С.Ватолин.

Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук Н.Ф.Кусов, канд.техн.наук Д.В.Яковлев.

Ведущее предприятие - Украинский филиал ВНИИ горной гао-иеханихи м маркшейдерского делр. /г~~)

Автореферат разослан " 1^0 г.

Защита диссертации состоится "//_[ 1990 г.

а / у ч. на заседании специализированного совета 1C.I35.05.02 ИГД им. А.А.Скочинского (140004, г. Люберцы Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться а секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух вкэемплярах гтросим направлять по адресу! 140004, г.Либерии Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета канд.техн.наук

А.Н.КОМРАКОВ

ощая характеристика раюга

Актуальность работы. Проектными решениями на мощных угольных разрезах КАГЭКа предусматривается отработка вскрытных уступов высотой 30-50 м высокопроизводительными роторными комплексами. Одним из факторов, сдерживавших их применение, является наличие крепких включений во вскрьжной толще. Параметры современных роторных экскаваторов требухзт предварительного обнаружения и последующего дробления в массиве горных пород крепких включений с минимальными рммерами 1,5 х 1,5 х 0,2 м.

Обнаружение таких включений с помощью бурения скважин связано со значительными затратами, поэтому актуальной задачей является разработка эффективных геофизических методов обнаружения крепких включений, позволяющих значительно сократить объем трудоемкого и дорогостоящего разведочко-поискового бурения.

В нашей стране исследования по разработке таких методов ведутся в институтах ИПКОН АН СССР, ИГД им. А.А.Скочинского, КАТЭКНИИуголь и НИИОГР. К настоящему времени разработаны и опробованы в условиях разреза модификации сейсмических методов преломленных и отраженных волн, а также длинного кабеля в электроразведке, которые позволяют обнаруживать с поверхности уступа включения размерами 3-5 м на глубине до 15 м. Дальнейшее повышение разрешающей способности методов по размерам включений и глубине юс залегания ограничено затуханием в массиве сейсмического и влектромагнитного полей.

В этой связи научный и практический интерес представляет разработка скважинньгх геофизических методов, позволяющих обнаруживать включения в любой части вскрышного уступа.

Цель работы состоит в разработке метода межскважинного влектромагнитного просвечивания для обнаружения крепких включений в уступах большой высоты угольных разрезов.

Основная идея работы заключается в обосновании возможности обнаружения включений путем возбуждения в массиве электромагнитного поля цилиндрической структуры и использовании закономерностей его распространения в слоистой среде с включением.

Методика исследований предусматривает теоретический анализ и математическое моделирование процесса распространения электромагнитного поля во вскрмшном массиве при наличии включения, экспериментальные исследования установки радиопросвечивания, проведение натурных экспериментов в условиях разреза и статистическую обработку результатов измерений.

Защищаемые положения.

1. Межскважинное просвечивание с возбуждением электромагнитного поля на всю высоту уступа путем использования антенны кабельного типа и приемом электромагнитных колебаний на вертикальную дипольную антенну, заземленную на концах, как способ исследования массива вскрышных пород с надежностью обнаружения крепких включений 90%.

2. Электромагнитное поле вертикального электрического диполя, расположенного в области включения, с погрешностью 2-4% соответствует возникающему при его просвечивании аномальному электромагнитному полю. Сопоставление этих полей может быть положено в основу интерпретации результатов измерений.

3. Для выделения аномальных значений на фоне значений поля, обусловленных слоистым строением массива, целесообразно в качестве основы использовать результаты измерений при отсутствии включения. Соответствие пространственных спектров аномального и смоделированного полей позволяет определять параметры залегания включения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

установлено, что информативными параметрами аномального поля, создаваемого эллипсоидальным включением, являются вертикальная и горизонтальная электрические и горизонтальная магнитная составляющие электромагнитного поля;

выявлена зависимость между параметрами залегания включение и возмущенного им поля, аппроксимируемого полем вертикальной электрического диполя, расположенного в области включения;

разработан новый способ возбуждения и приема электромагнитных колебаний в массиве горных пород, позволяющий создать структуру поля в среде, близкую к цилиндрической, и повысить надежность измерений путем использования заземлений приемной антенны;

разработана методика обработки и интерпретации результатов измерений, основанная на установлении регрессионной зависимости между диаграммами поля в соседних скважинах и представлении аномального поля через его пространственный спектр.

Достоверность разработанных научных положений и выводов обеспечивается результатами теоретического анализа и численных экспериментов (проведено более 200 вариантов расчетов), подтверждается сходимостью результатов расчетов с данными натурных измерений и положительными результатами опытной эксплуатации "Методики обнаружения крепких включений методом межскважинного радиоволнового просвечивания" в условиях разреза "Бородинский" (выявлено 43 геофизических аномалии, обусловленных наличием включений в массиве; достоверность определения местоположения включений составила 90%).

Практическая ценность работы. Разработанные способ и методика позволяют повысить надежность выявления крепких включения во вскрышных уступах высотой 30-50 м, что обеспечивает болео эффективное использование поточной технологии на вскрышных разрезах КАТЭКа:

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке "Методики обнаружения крепких включений методом межскважинного радиоволнового просвечивания", утвержденной Министерством угольной промышленности СССР, и при разработке проекта "Технологии обнаружения крепких включений межскважинными методами электроразведки и акустического прозвучивания", утвержденного ученым Советом НИИОГР и апробированного в условиях разреза "Бородинский" ПО "Красноярскуголь".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались- на научных семинарах лаборатории свойств горных пород и массива ИГД им. А.А.Скочинского (1985-1988 гг.), на Х1У конференции молодых ученых в ИЛКОН АН СССР (1985 г.), II отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в ИГД Минчермета СССР (Свердловск, 1985 г.), на III семинаре по горной геофизике (ИГД АН ГССР, Батуми, 1985 р.), на технико-экономическом совете ПО "Красноярскуголь" (Красноярск, 1987 г.), в ВО "Союзуглегеологйя" (1984-1987 гг.).

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 139 наименований,

приложений и содержит 221 страницу машинописного текста, 44 рисунка.

Материалами для диссертационной работы послужили результаты научных исследований по разработке геофизических методов обнаружения крепких включений в условиях вскрышной толщи разрезов КАТЭК, выполненных в институте НИИОГР (№ г.p. 76040I3I, 0I82306I663, 0I82406I644, 018600677000, 01880005390).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Результаты изучения физических свойств вскрышных пород разрезов Канско-Ачинского бассейна свидетельствуют о том, что крепкие включения и вмещающие их породы различаются по плотностным, упругим и электрическим свойствам.

Физические свойства пород Песчаники я алевролиты на глинистом цементе Крепкие включения

I. Предел прочности на сжатие, ЫПа 0,9-5 4,2-160

2. Объемная масса, г/см 1,98-2,10 2,45-2,50

3. Магнитная проницаемость, Гн/м (12,0-13,1). Ю"7 13,0.ХО"7

4. Скорость продольных волн, м/с 500-1400 2200-3200

5. Удельное электрическое сопротивление, Ом-м 13-50 80-182

Геофизические методы исследования массива горных пород, основанные на указанных в таблице свойствах, рассматривались в работах В.С.Ямщикова, Е.С.Ватолина, Н.Я.Азарова, А.Д.Петровского, Д.В.Яковлева^ О.П.Якобашвили, А.Б.Чернякова, А.Ы.Пота-пова и других авторов. Однако выполненный анализ возможностей этих методов показал, что:

наземные методы гравиметрической разведки, сейсморазведки, постоянного тока и индуктивной электроразведки не применимы в виду малых размеров включений;

обнаружение крепких включений сейсмоакустичесхими, радиоволновыми и радиолокационными методами с поверхности уступа невозможно ввиду сильного поглощения породами вскрыши акустического и электромагнитного полей в уступах высотой до 30 м;

для обнаружения крепких включений необходимо уменьшить толщу исследуемых пород путем разбуривания уступа сетью сквачшн с последующим изучением мэжскважинного пространства геофизическими методами, наиболее перспективным из которых является радиоволновое просвечивание.

Однако применение этого метода сдерживается ввиду того, что не выяснен характер взаимодействия высокочастотного электромагнитного поля и слабо проводящих трехмерных неоднородностей типа крепких включений, залегающих в более проводящих породах.

Следовательно, остаются неясными типы установок и частоты, позволяющие эффективно выявлять включения во вскрьганом уступа; не решенной остается задача определения местоположения включения в разрезе.

В связи с изложенным для достижения пели необходимо рассмотреть ряд вопросов как теоретического, так и экспериментального характера:

определить информативные парамзтры электромагнитного поля; установить и количественно описать закономерности взаимодействия электромагнитного поля и включения;

разработать способ возбуждения и приема электромагнитных колебаний в массиве вскрышных пород;

выбрать и обосновать оптимальную частоту радиопросвечивания; определить приемы обработки и интерпретации результатов радиопросвечивания.

Вскрьганые толщи разрезов Канско-Ачинского бассейна представлены в основном рыхлыми песчано-глинистыми отложениями, среди которых встречаются крепкие включения,составляющие не более объема вскрышных пород. Крепкие включения имеют линэовидную либо пластообразную форму и локализуются в гипсометрически выдержанных горизонтах мощностью 5-10 м. В связи с этим геоэлектрическая модель массива при теоретических исследованиях представляла собой однородный пласт, содержащий эллипсоидальное включение.

На основе уравнений Максвелла с помощью векторной теоремы Грина получена система интегральных уравнений, позволяющая рассчитать поле на границе включения, а затем с помощью аналогов формул Стрэттона-Чу - в нужной точке вмещающей среды [4]. Система решалась методом последовательных приближений, при этом нормальное поле задавалось в виде плоской волны, а система наблюдений состояла из вертикальных профилей.

Для оценки информативности характеристик электромагнитного поля проведено математическое моделирование аномальных полей при расположении эллипсоида на линии просвечивания. Значения горизонтальных полуосей эллипсоида изменялись от 0,1 до 0,4 длины волны Л , вертикальной - от 0,025 до 0,1Л .Коэффициент контрастности электрических свойств изменялся от 2 до 16. Характерный вид зависимости нормированных составляющих- поля, рассеянного на эллипсоиде с полуосями 0,1; 0,1 и 0.025А при расстоянии от профиля наблюдений до центра включения 0,35Л и контрастности^ приведен на рис. I.

Рис. I. Расчетные кривые зависимости характеристик аномального электромагнитного поля от аппликаты точки наблюдения

Установлено, что для одного_и_ того же профиля наблюдений

горизонтальная магнитная Ну , вертикальная и горизонтальная £, электрические составляющие поля несут информацию о наличии

включения и имеют сравнимые величины. Однако поведение горизонтальных составляющих поля сильно зависит от азимутального угла в точке наблюдения, а точность их измерения в большей мере определяется точностью ориентирования датчика электромагнитного поля в вертикальной скважине. Измерение Ех составляющей поля в этих условиях не требует специального ориентирования приемной антенны и является более предпочтительным вследствие большей надежности измерений.

Фазы аномального поля магнитной и электрической составляющих практически не отличаются, характер их изменения достаточно полно совпадает с изменением Ег составляющей поля и экспоненциально спадает при увеличении расстояния от эллипсоида. Следует отметить, что максимальной величины (10-20°) фаза достигает вблизи включения, однако для частот радиопросвечивания 1-10 МГц это значение лежит ниже уровня точности современной геофизической аппаратуры.

Для описания аномального поля методом погруженного источника в дипольном приближении получено выражение

,2

' Б (гя, г,)

Есг(гв)м\кг^

(I)

где координаты точки наблюдения и центра включения;

£вг - нормальное поле; V - объем включения; е , (£ - коэффициент сжатия и радиус включения; д - контрастность электрических свойств; К , & - волновое число вмещающей среды и ее функция Грина.

В результате расчетов установлено, что при аппроксимации решения прямой задачи выражением (I) отличие в расстоянии до центра включения составляет не более 9%, в амплитуде источника -105{, остаточная дисперсия не превышает 4% при различных кон-трастностях электрических свойств среды и включения, его размерах и расстояниях до профиля измерений (рис. 2).

Установленные закономерности позволяют определить рациональный способ радиопросвечивания массива применительно к условиям разрезов Канско-Ачинского бассейна.

Среди#способов межскважинного радиопросвечивания известны радиопрофилирование м зондирование. Методы радиозондирования

л.*»

. 0,6 0,6 ол-0,2— о

Рис. 2. Расчетные значения расстояния рш до дипольного источника, его алшлитуднЛ и относительной ошибки аппроксимации 6 при различных р&стояниях до центра включения ри

основаны на размещении в одной из скважин на определенной глубине короткой излучающей антенны, которую можно рассматривать как точечный источник (диполь), и перемещении по соседней скважине приемной антенны, посредством которой измеряют напряженность электромагнитного поля. Недостатком метода является то, что при наличии нескольких конкрециеносных горизонтов радиопросвечивание необходимо проводить в пределах каждого из них, что приводит к возрастанию трудоемкости работ. Помимо етого при зондировании одновременно изменяются угол прихода электромагнитной волны в точку приема и разнос установки, что сказывается на точности определения нормального поля и снижает надежность выделения аномалий. Радиопрофилиро вание, заключающееся в синхронном перемещении приемной и излучающей антенн, свободно от перечисленных выше недостатков, однако требует высокой синхронности перемещения антенн в скважинах. Кроме того,перемещение излучающей антенны вдоль скважины вызывает изменение тока в антенне при изменении электрических свойств окружающей среды, а следовательно, либо понижение, либо повышение интенсивности электромагнитных колебаний и появление ложных аномалий измеряемого сигнала.

С целью повышения эффективности радиоволнового просвечивания при обнаружении крепких включений предложен способ радиоволнового просвечивания, заключающийся в использовании линейного скважинного источника электромагнитного поля, на который получено авторское свидетельство [7]. Этот способ позволяет создать структуру поля в массиве вскрышных пород, близкую к цилиндрической, что обуславливает практически неизменный уровень измеряемого сигнала в пределах однородных слоев. В этом случае критерием наличия включения в межскважинном пространства является искажение структуры нормального поля слоистой среды, обусловленное интерференцией последнего с рассеянным на включении полем.

Для изучения возможностей метода в первую очередь необходимо определить частоту возбуждения поля, зависящую в основном от необходимой дальности действия и разрешающей способности. Дальность действия установки радиопросвечивания определяется мощностью, подводимой в излучающую антенну, чувствительностью приемного устройства и электрическими параметрами среды.

Энергетический потенциал аппаратуры в зависимости от частоты и дальности радиопросвечивания может быть определен по формуле

К.Ь ш.1«* С05(Кое/2)

IШм ^51я(2К I) 1п (В/ч)

(2)

где К0 - волновое число воздуха; к - длина приемной антенны; (? - база радиопросвечивания; 6 и а - длина и диаметр излучающей антенны; 6 - диаметр скважины.

Результаты расчетов при удельном электрическом сопротивлении среды р 10 Ом.м приведены на рис. 3. Из графиков видно, что при достигнутом уровне энергетического потенциала аппаратуры (пунктирная линия на рис. 3) значениям дальности просвечивания 5, 10, 15 и 20 м соответствуют максимальные значения частот 20, 4, 1,6 и 0,8 МГц. На этих частотах длина волны электромагнитных колебаний составляет 2,2; 5; 7,9 и 11,2 м, что превышает размеры технологически опасных включений (кроме частоты 10 МГц, при которой дальность действия аппаратуры недостаточна). В соответствии с результатами математического моделирования в диапазоне частот ниже 4 МГц оценка разрешающей способности метода от волнового числа среды имеет вид

е~"% \/(1+Кг)г+1кг(1 + 2><х)]г , (3)

где у - отношение амплитуды аномального высокочастотного поля на горизонте включения к ее значению на постоянном токе;

Рис. 3. Энергетический потенциал аппаратуры. Шифр кривых - база радиопросвечивания, м

Результаты расчетов при р » 10 и 20 Ом.м показали, что эффективность высокочастотного поля у возрастает с увеличением частоты и достигает наибольшего значения 1,4..Л,5 в диапазоне частот 0,4...О,8 МГц. При дальнейшем увеличении частоты эффективность падает и на частоте 3,2 КГц для р » 10 Ом.м составит поля постоянного тока, а для р - 20 Ом.м сравняется с ним. Снижение эффективности обусловлено преобладающим влиянием затухания электромагнитных волн с ростом частоты. С другой стороны, следует отметить, что на практике аномальное поле измеряется совместно с нормальным, пришедшим в точку измерения. В этом случав разрешающую способность можно определить как отношение аномального поля к нормальному в этой точке, что будет соответствовать отсутствию экспоненциального множителя в формуле (3). При етом эффективность монотонно возрастает с увеличением частоты х в диапазоне 1,6...3,2 МГц составляет 13...45 значений поля постоянного тоха.

Оба рассмотренных случая в идеализированной постановке соответствуют расположению включения в стороне от линии просвечива-

ния или на ней. Для тела, находящегося в стороне от линии просвечивания, до частот 1,6...3,2 МГц разрешающая способность практически не меняется и лишь выше этих частот резко падает. При расположении включения на линии просвечивания разрешающая способность возрастает с частотой. Вследствие этого оптимальная частота радиопросвечивания лежит в диапазоне 1,6...3,2 МГц.

Для измерения локального электрического поля приемная антенна должна иметь малую Длину, это обуславливает повышенное значение ее входного .сопротивления, затрудняет согласование со входом приемного устройства и в конечном итоге снижает чувствительность аппаратуры. Анализ работы электрических антенн в сухих скважинах позволил усовершенствовать конструкцию антенны и повысить надежность измерений. Установлено, что применение заземленной антенны повышает чувствительность аппаратуры более чем в 20 раз по сравнению с традиционными антеннами.

Проведение измерений в сухих скважинах приводит к возникновению сильного антенного эффекта, сущность которого заключается в том, что электромагнитное поле, излучаемое передающей антенной, наводит в кабеле приемника электрические токи, возбуждающие вторичные поля и искажающие результаты измерений. На основе теоретического анализа и результатов экспериментов установлено, что путем применения заграждающего фильтра в кабеле приемника, заземленного на стенки скважин, влияние антенного эффекта практически исключается, что обеспечивает лучшее соотношение сигнал/помеха при радиопросвечивании. Экспериментальные исследования в условиях разреза показали, что однократное проведение измерений в скважине обеспечивает надежность определения величины сигнала 0,95 с точностью до Ь%.

Слоистое строение массива и влияние помех затрудняют выделение аномалий от крепких включений на диаграммах радиопросвечивания. Однако, ввиду выдержанности слоев пород по мощности и углам залегания, их влияние на различных диаграммах проявляется практически одинаково, о чем свидетельствуют высокие значения коэффициентов корреляции диаграмм (0,8 и выше). Это обстоятельство позволяет исключить аномалии от слоев на результирующей

диаграмме с помощью выражения

_________________ (4)

где Еа - вектор-столбец аномальных значений поля вдоль скважины;

!......- II

значений поля; /:=

С - вектор-столбец измеренных ^очсппп нилл« ■ значения поля, измеренные при отсутствии включения,"на »-й глубине;'А ^р'рГ'я^Е.

На рис. 4 приведены диаграммы Ег , соответствующие наличию I

и отсутствию 2 крепкого включения в межскважинном пространстве, а также результирующая диаграмма 3, полученная после обработки по выражению (4), и диаграмма 4, полученная при отсутствии включения.

,мкВ

Н,м

Рис. 4. Диаграммы измерений при наличии (I), отсутствии (2) крепкого включения а межсква-жиннои пространстве: 3 - результирующая локальная аномалия; 4 - то же при отсутствии включения

Полученные в результате обработки аномальные значения поля подвергаются количественной интерпретации. На основе дипольного представления аномального поля (I) предложены различные варианты интерпретации результатов обработки. По первому из них рассчитана номограмма, позволяющая определить расстояние до включения по виркне аномалии для различных уровней относительной интенсивности поля. Преимуществом номограммы,• как и других методов характерных точек, является простота применения и отсутствие сложных вычислений. Вместе с тем, этот метод оказывается чувстви-12

тельным к погрешностям измерений и не дает оценку степени адекватности теоретических и экспериментальных значений. Более устойчивым к помехам и дающим такую оценку является метод моментов источников, использованный при аппроксимации результатов математического моделирования. Одним из условий его применения является наличие нулевого уровня аномального сигнала, (асимптотическое значение напряженности поля при больших значениях аппликаты точки измерения на рис. I). Однако, как видно на рис. 4, при корреляционной обработке результатов измерений по формуле (4) положение нулевого уровня искажается. Кроме того, использование рассмотренных выше способов рассчитано на интерпретацию аномального поля и не учитывает его интерференцию с нормальным на профиле измерений.

В результате проведенного анализа экспериментального материала предложена математическая модель, учитывающая указанные особенности и позволяющая построить достаточно простой алгоритм интерпретации. В его основу положено преобразование Фурье Г[] результатов обработки по аппликате точки наблюдения:

„___(5)

Н«г-ргЖМГ [Е0]♦ г{е},

где А - величина, зависящая от плотности аномального тока во включении и уровня нормального поля в скважине; у - разность фаз между ними; р - пространственная частота; £0 , х - глубина залегания включения и расстояние до него от приемной скважины; К» ( ) ~ функция Макдональда; Е0 - искажение уровня поля при обработке; £ - случайные помехи.

Использование трансформации (5) позволяет, выделяя в комплексном спектре р(£в} амплитудный и фазовый множители, представить его в виде произведения функций, зависящих от координат диполя. С учетом того, что постоянному смещению Ев соответствует спектральная составляющая при р » 0, путем линеаризации амплитудного множителя по параметрам г и у и применения.....критерия

отношения правдоподобия находятся значения \ ,у и А . Определение глубины залегания включения Е0 производится с помощью обратного преобразования вурье фазового множителя в (5). Таким образом, описанная процёдура интерпретации позволяет находить коор-

13

динаты включения с учетом особенностей первичной обработки и интерференционного искажения аномалии.

Измеряемая напряженность поля нелинейным образом зависит от вариаций базы радиопросвечивания и изменчивости электрических свойств пород. Эффективность обработки (4) повышается при использовании "кустовой" методики измерений с одинаковым шагом между скважинами, по которой в одной из скважин устанавливается высокочастотный генератор с излучающей антенной, а измерение напряженности поля производят последовательно в скважинах, ее окружающих. Кроме того, предложенная методика измерений является более технологичной, так как требует меньше перестановок передающего устройства.

. По сравнению с распространенной квадратной сеткой скважин более плотно покрывает поверхность уступа равномерная сетка, состоящая из равносторонних треугольников, в которой шесть скважин находятся на одинаковом расстоянии от центральной. Геометрические расчеты показали, что при этом баал радиопросвечивания возрастает незничительно (на 7,5Ж по сравнению с квадратной сеткой при одних и тех же площади и количестве скважин), следовательно, треугольная сетка скважин является более предпочтительной.

На основании проведенных исследований разработана "Методика обнаружения крепких включений методом межскважинного радиоволнового просвечивания". Оценка надежности методики геометрическим способом показала, что для условий Канеко-Ачинского бассейна она составляет не менее 90%.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа обнаружения крепких включений проведена на разрезе "Бородинский" ПО "Красноярскуголь". Испытания проводились на У1 уступе высотой 10-12 м в районе наибольшего распространения крепких включений. Его геологический разрез представлен глинистыми алевролитами, песчаниками и пластами угля.

Радиоволновое просвечивание осуществлялось на частоте 2,5 МГц из необсаженных скважин диаметром 160 мм, пробуренных по сети 6x6м. Средняя относительная погрешность контрольных измерений не превышала 5£.

При обработке результатов измерений выявлялись коррелирующие аномалии, производилось расчленение массива на слои и прослеживание конкрециеносных горизонтов во вскрышной толще. Некоррели-рующие аномалии, выделенные в пределах конкрециеносных горизонтов, подвергались количественной интерпретации, по результа-

ЛРЗ

ПР2

Рис. 5. Длан участка работ:

О - коитролкыв сквахнны; • - скважины, использован™« при радиопросвечивания •

3-

6.

-1 т-2 ешз-з

Рис. 6. Геояого-гвофиэический разрез по рис. 5 профиль 2:

I - угол, 2 - алвролгг, 3 - песчшпге, 4 - грвпия выгачен*»

том которой оценивались расстояние от приемной скважины до центра включения и его глубина залегания. Нанесение контуров включений на план осуществлялось путем интерполяции полученных значений с учетом относительной интенсивности аномалий. В качестве примера на рис. 5-6 приведены фрагмент участка уступа в плане с нанесенными контурами включений и его корреляционный геолого-геофизический разрез.

При проведении опытной эксплуатации методики исследовано 25 тыс.м3 вскрышных пород и получено более 150 диаграмм радиопросвечивания. В результате обработки выделено 43 геофизических аномалии, при интерпретации которых выявлено 14 крепких включений пластового и линзовидного типов. При проверке результатов интерпретации бурением скважин по сети 4 х 4 м с последующим электрическим каротажем пропусков включений не отмечено. Однако при проверке четырех аномалий предполагаемые координаты включений не подтвердились бурением. С учетом этого достоверность определения местоположения включений составила 90,7%. Выборочное разбуриваниа включений показало, что при их расположении на линии просвечивания погрешность нанесения контуров в плане на превышает I м. Установлено, что глубина залегания включений определяется с точностью до 0,1 м.

В варианте ведения буровзрывных работ по редкой сети скважин 6-10 м (встряхивание массива и дробление крупных включений) применение метода, имеющего высокую надежность обнаружения, позволит разбуривать и взрывать практически все технологически опасные крепкие включения и проводить более качественную подготовку массива к экскавации. При ведении вскрышных работ с помощью роторных экскаваторов альтернативным разработанному методу является бурение скважин по сети 2 х 2 м, имеющее близкую надежность. В результате экономических расчетов установлено, что использование метода радиопросвечивания на разрезе "Березовский Я I" ПО "Красноярскуголь" даст годовой экономический эффект более 750 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной и практической задачи. Представляющее собой разработку сквлхинного электромагнитного метода обнаружения крепких вклю-

чений во вскрышных уступах угольних разрезов. Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Показано, что для обнаружения включений в уступах высотой 30-50 м наиболее рациональным методом является межскважинное высокочастотное электромагнитное просвечивание. Предложен новый способ возбуждения высокочастотного электромагнитного поля в массиве, заключающийся в использовании в качестве излучающей антенны передатчика кабеля, опущенного в скважину на всю высоту уступа и заземленного в устье и на забое. Ввиду того, что в массиве создается электромагнитное поле со структурой, близкой к цилиндрической, данный способ является инвариантным к глубине расположения конкрециеносного горизонта и облегчает выделение аномалий от крепких включений из-за меньшей кривизны поля в вертикальной плоскости.

2. Установлено, что информацию о наличии включения в массиве несут горизонтальная и вертикальная электрические и горизонтальная магнитная составляющие поля. В техническом отношении наиболее целесообразным является измерение амплитуды вертикальной составляющей напряженности электрического поля.

3. Определен характер взаимодействия в массиве электромагнитного поля и высокоомного включения, состоящий в практически изотропном его рассеянии. При этом аномальное поле с погрешностью 2-4% соответствует полю вертикального электрического диполя, удаленность которого от центра включения не превышает 1056 расстояния до приемной скважины. На этом соответствии основана интерпретация результатов радиопросвечивания.

4. Для выделения аномального поля предложено использовать линейную регрессионцую зависимость между результатами измерений в текущей и опорной скважинах. Установлено, что разложение аномального поля по пространственным частотам позволяет осуществить последовательную процедуру определения параметров залегания включения. На первой этапе интерпретации определяется расстояние до включения с поморю критерия отновения правдоподобия по амплитудному спектру аномалии, на втором - глубина залегания включения путем обращения фазового спектра.

5. Разработана методика обнаружения крепких включений, опыт-но-промыяленная проверка которой осуществлена в условиях Канско-Ачинского бассейна в объеме 25 тыс.м3 массива вскрышных пород. Надежность обнаружения включений составила 90%.

6. Использование методики обнаружения крепких включений на разрезе "Березовский № I" ПО "Красноярскуголь" позволит по сравнению с бурением скважин по сети 2 х 2 м сократить объемы разведо'-'но-эксплуатационного бурения почти в 2,5 раза и уменьшить ежегодные затраты по обнаружению включений на 56 тыс.руб. на I млн.м3 вскрышных пород.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Оценка возможностей геофизических методов обнаружения крепких включений в рыхлых породах / НИИ0ГР. - Челябинск, 1981. -6с.- Деп. в ЦНИЭИуголь 26.05.82, № 2368 (соавторы Н.М.Де-миденко, А.Ф.Сухоруков).

2. Результаты опробования геофизических методов обнаружения крепких включений в рыхлых породах / НИШГР. - Челябинск, 1981. -7с.- Деп. в ЦНИЭИуголь 26.05.82, № 2369 (соавторы М.О.Давыдов, Н.Ы.Демиденко).

3. Расчет электромагнитного поля в задаче обнаружения крепких включений методом радиопросвечивания // Интенсификация горнорудного производства: Тез. докл. П отрасл. научн.-техн.конф.мол. уч. 22-24 октября 1985 г. - Свердловск, 1985.- С. 74-75 (соавтор В.И.Вострюхин).

4. Обнаружение крепких включений методом радиопросвечивания // Технология и механизация добычи угля открытым способом: Сб. науч. тр. / НИИОГР. - М., 1986. - С. II3-II9 (соавторы Н.М.Деми-денко, Р.А.Каримов).

5. Эффективность обнаружения крепких включений методом радиопросвечивания // Горная геофизика:Тез. докл.науч.-тех.сем» II—15 октября 1935 г. - Батуми, 1985.- С. 303 (соавторы Н.Ы.Демиденко, Р.А.Каримов).

6. Влияние помех при обнаружении крепких включений методом радиопросвечивания / Физико-технические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых: Сб. науч. тр. / ИПКОН АН СССР. - М., 1966. - С. II0-II2.

7. Корреляционный способ радиоволнового Просвечивания: A.c. 1257594 СССР, к*. С Ol V 3/12. - 3 с. (соавторы М.О.Давыдов, Н.М.Демиденко).

8. Оценка надежности обнаружения . крепких включений методом радиопросвечивания // Молодые ученые - КАТЭКу: Тез.докл.научн.-прагг. конф. 22-23 июня 1988 г. - Красноярск, 1988. - С. 68-69.