Разработка подземно-полевого электрометрического метода прогнозирования состояния обводнённых углепородных массивов Подмосковного бассейна (25.01.2010)

Автор: Логачева  Валентина Михайловна

- выявить условия и вероятность возникновения прорыва подземных вод и плывунов в горные выработки и обосновать основные типы прорывоопасных зон;

- разработать геоэлектрическую модель анизотропного массива надугольных пород и обосновать критерии прогнозирования обводненного состояния массива;

- установить информативные критерии для выявления и определения зон и основных параметров горно-геологического нарушения, повышающие разрешающую способность подземно-полевого электрометрического метода;

- установить закономерности формирования и распространения электрического поля в массиве надугольных пород;

- выявить и оценить характеристики электрических полей в массиве от параметров питающих и приемных диполей для эффективного проведения наземных и подземных измерений;

- разработать аппаратуру, алгоритмы, блок-схемы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие автоматизированную обработку электрометрической информации и прогнозирование условий ведения горных работ;

- разработать подземно-полевой электрометрический метод прогнозирования нарушенности и обводненности углепородного массива для обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ;

- оценить технико-экономическую эффективность прогнозных рекомендаций для практического применения их на шахтах при обосновании способов подготовки угольных пластов к отработке.

До начала 80-х гг. на шахтах Подмосковного бассейна широко применялись подземные и полевые методы электроразведки. Однако с вводом в эксплуатацию новых шахт с наличием в геологическом разрезе мощного (до 70 м) высокоомного окского известняка, являющегося экраном электрического поля, применение в отдельности полевых или подземных методов стало малоэффективным. Сложность горно-гидрогеологического строения толщи пород на шахтах потребовала приближения приемно-питающих электродов к исследуемому комплексу горных пород и тщательного изучения в нем распределения нормального и аномального полей. Оптимальным решением этой проблемы, учитывая работы А.И. Заборовского, В.С. Могилатова и В.С. Моисеева по эффективности применения линейных питающих электродов, является прогнозирование нарушенных и обводненных зон в надугольных породах методом наземно-скважинной и подземно-скважинной электрометрии, получившим в ОАО "Подмосковный НИУИ" название комбинированного способа подземной и полевой электрометрии - КСППЭ. Суть этого метода заключается в использовании обсадных колонн скважин в качестве питающих линейных электродов и измерении электрического поля на дневной поверхности (НСЭМ) и из горных выработок (ПСЭМ). Однако эффективное применение рекомендуемого метода сдерживается нерешенными вопросами его физико-математического обоснования, отсутствием математических моделей геоэлектрических условий залегания горных пород и рационального комплекса методов интерпретации электрометрических данных. Надежность прогнозирования в сложных горно-геологических условиях с помощью этих методов не превышает 70 %. Это объясняется сложностью и разнообразием гидрогеологического состояния массива и его изменением в процессе ведения горных работ. В связи с мощным развитием вычислительной техники и компьютерных технологий появилась возможность моделирования электрических полей в конкретных горно-геологических условиях для проведения оперативной предварительной оценки структуры и параметров электрического поля с учетом влияния аномальных зон в углевмещающих породах.

Массив горных пород угольных месторождений представляет собой сложную анизотропную, дискретную, слоистую, трещиноватую, обводненную среду, содержащую большое количество нарушений (сбросов, надвигов, разрывов и др.), находящуюся в напряженном состоянии. Непрерывное развитие горных работ изменяет состояние и свойства массива и вносит соответствующие изменения в техногенные процессы, происходящие в нем, что приводит к формированию аномальных зон. Ведение горных работ вблизи или непосредственно в таких зонах приводит к нарушениям режима работы шахты и даже к авариям. Таким образом, заблаговременное прогнозирование состояния массива горных пород при подземной разработке обводненных угольных месторождений является необходимым.

Геологическое строение Подмосковного бассейна можно представить как горизонтально-слоистую структуру, надугольный комплекс пород которой характеризуется значительной невыдержанностью по мощности и составу отдельных слоев, наличием геологических нарушений в них. По материалам геологических служб шахт выделены основные типы геологических нарушений и обводненных зон в надугольном комплексе пород Подмосковного бассейна по генезису, морфологии, физическим и технологическим свойствам слагающих пород как потенциальных прорывоопасных зон. Это карсты, эрозионные долины, мульдообразные понижения и трещиноватые зоны, которые характерны локальной обводненностью, дифференцируемостью физико-механических свойств горных пород, слагающих тот или иной слой (рис.1,а). Такие прорывоопасные зоны могут обусловить прорывы воды и плывунов в лавы, что снижает нагрузку в несколько раз и приводит к значительному материальному ущербу. Продолжительность выхода из строя лавы составляет от 10 суток до 1 года, а иногда горные выработки не подлежат восстановлению. Гистограмма частоты встречаемости нарушений Р и способы их обнаружения по максимальному размеру d в плане (рис.1,б) показывают целесообразность применения электрометрического метода прогнозирования. Анализ исследований материалов шахтных геологических служб показал, что 95-97 % прорывов в горные выработки произошли из надугольных пород и лишь 3-5 % - из подугольных. Поэтому основное внимание при прогнозировании прорывоопасных зон уделено изучению массива надугольных пород. Проведенный анализ позволил сформулировать отмеченные выше цель и задачи исследований.

Рис. 1. Основные типы геологических нарушений в надугольном комплексе пород (а) и гистограмма частоты встречаемости нарушений Р и способы их обнаружения по максимальному размеру d в плане (б)

Вторая глава посвящена разработке и исследованию имитационных и математических моделей геоэлектрических условий углевмещающего комплекса пород. Закономерности распределения поля при электрометрических исследованиях углепородного массива на шахтах Подмосковного бассейна изучались Н.У. Савенковым, Е.Л. Новиковым, Р.А. Гульянцем и другими учеными. При этом они рассматривали точечное заземление питающих электродов на физических моделях в электролитических ваннах. Однако физическое моделирование идеализирует реальную геологическую среду и затрудняет получение достоверных результатов из-за трудности создания критериев подобия. Поэтому, чтобы правильно истолковать получаемые результаты электрометрии при всем многообразии условий, необходимо рассчитать математическим путем поведение электрического поля в многослойном разрезе «без» и «с» геологическими нарушениями в нем.

Для разработки геоэлектрической модели были изучены и проанализированы геологические и геофизические показатели надугольных пород, полученные по данным бурения и стандартного каротажа углеразведочных скважин. Для проведения математического моделирования обоснована и разработана трехслойная горно-геоэлектрическая модель надугольных пород, основные геолого-геофизические параметры прорывоопасных зон и вмещающих пород которой представлены в таблице 1.

Таблица 1. Геолого-геофизические параметры геоэлектрической

модели надугольного комплекса пород

№ геоэлектрического слоя Состав

горных

пород Геологический индекс Характеристика пород

вмещающей среды Характеристика пород аномального

объекта

мощность слоя, м кажущееся сопротивление, Ом(м мощность, м поперечные размеры, м кажущееся сопротивление, Ом(м

min max optim min max optim min max optim min max optim min max

1 Суглинок, глина, песок Q,

15 40 20 50 120 80 5 40 30 10 100 30 10 500

Анализ каротажных данных геологических нарушений и обводненных зон в надугольных породах показал, что кажущееся электросопротивление (к изменяется от 1500 Ом(м (сухая трещиноватая зона) до 10 Ом(м (обводненная мульда).

Математическое моделирование выполнено для следующих размеров нарушения: 5, 10, 20, 40, 50, 70 м - по мощности (hа); 10, 30, 50, 100 - по поперечному размеру (dа). Максимальное приближение трехслойной модели (рис. 2) к натурным условиям позволило получить по разработанным алгоритмам и программам серию номограмм распределения нормального и аномального электрических полей. При этом важным является то, что модель рассматривалась как с кровли первого горизонта, так и с подошвы третьего.

а) б) в)

Рис.2. Геолого-каротажные характеристики углевмещающих пород

для обоснования параметров геоэлектрической модели: а) геологический разрез; б) диаграммы электрического (() и радиоактивного каротажа (?); в) геоэлектрическая модель

В связи с симметрией задачи нормальное электрическое поле не зависит от угла ( и потенциал U определяется по осям r и z следующим выражением:

где I - ток источника возбуждения, А; Jo - функция Бесселя; m - переменная интегрирования; V (m,z) - функция поля.

Решение задачи сводится к отысканию функции V (m,z), которая, как и любое поле, есть сумма нормального и аномального полей:

V(m,z) = Vн(m,z) + Vа(m,z). (2)

Для однородного полупространства определение потенциала электрического поля при заземлении питающей цепи линейным электродом, с которым отождествляется обсадная колонна скважины, получено следующее выражение:

где а - длина электрода, м; b - радиус электрода, м; r – расстояние от питающего электрода до точки измерения, м.

Потенциал поля над трехслойной горизонтальной средой для точечного источника поля описывается следующим выражением:

где h – общая мера для мощностей первого h1 и второго h2 слоев, м; qn – коэффициент эмиссии.

В результате математического решения и анализа выражений (1)-(4) потенциал электрического поля на поверхности трехслойной среды от линейного заземлителя может быть определен формулой:

Выражение в квадратных скобках в физическом смысле отражает изменение расстояния от точки измерения до источника тока и учитывает "индивидуальность" геоэлектрического разреза. Выражение в фигурных скобках является поправкой в значении потенциала, учитывающей линейность питающего электрода. Сложность математических расчетов заключается в определении коэффициента эмиссии, который определяется для каждой геоэлектрической среды по рекуррентной формуле:


загрузка...