Email: youkulish@mail.ru
Актуальность
В связи с ведением горных работ на больших глубинах (800 - 1000 м), значительно повышаются требования угольной промышленности к точности и надежности геологоразведочных данных, особенно по вопросам тектонического строения месторождения.
В настоящее время в Донбассе на глубинах более 800 м работает 149 шахт, 38 шахт работает на глубинах более 1000 м. Освоение глубоких горизонтов требует совершенствования методики разведки и, прежде всего, методики прогноза горно-геологических факторов, которые являются определяющими при проектировании и строительстве горных предприятий, а также при эксплуатации месторождений. Перед геологическими службами шахт при подготовке новых лав ставится задача обязательного обеспечения прогноза нарушенности угольных пластов.
Поэтому знание количественных закономерностей изменения амплитуд разрывных нарушений как по простиранию, так и по падению плоскостей сместителей имеет большое теоретическое и практическое значение, дает возможность шахтной геологической службе более обоснованно прогнозировать положение и характер изменения амплитуд разрывов на проектируемых к отработке площадях. Несмотря на успешные результаты исследований геологии Донецкого бассейна вопрос о количественных характеристиках изменения амплитуд разрывных нарушений изучен недостаточно полно.
Не выявленные при разведки малоамлитудные тектонические нарушения могут привести к:
- внезапным выбросам угля и газа;
- усложняют ведения очистных подготовительных работ;
- резко снижается продуктивность труда, а это свою очередь ведет к остановке очистного забоя и демонтажу комплекса.
Все вышеперечисленные факторы негативно отражаются на экономических показателях угольного предприятия
Цели и задачи исследования.
Целью исследования этой работы являются тектонические нарушения угольных пластов Донбасса и разработка методов прогноза нарушений.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Проанализировать существующие методы прогноз тектонических нарушений угольных пластов.
2. Классифицировать нарушения по степени их влияния на технологический процесс выемки угля.
3. Изучить процесс образования тектонических нарушений.
4. Определить соотношение между параметрами и элементами заложения мелкоамплитудных тектонических нарушений.
Практика разработки угольных пластов доказывает, что большинство шахтных полей имеют нарушенное залегание угольных пластов и пород, вмещающих угольный пласт.
При переходе разрывных тектонических нарушений, уровень нагрузки на очистной забой уменьшается, но в то же время снижается и продуктивность рабочего очистного забоя, а стоимость угля увеличивается. В местах тектонических нарушений уменьшается прочность угля и пород, что приводит к вываливанию пород кровли. Поэтому в зоне геологических нарушений можно наблюдать большое количество случаев травматизма среди рабочих очистного забоя. Именно поэтому исследованиям и прогнозу разрывной тектоники шахтных полей и отдельных угольных пластов уделяют так много внимания.
Обзор литературных источников.
Опыт ведения горных работ на шахтах Донбасса доказывает важность прогнозирования зон распространения мелкоамплитудных тектонических нарушений угольных пластов.
В условия Донбасса детальной разведкой шахтных полей устанавливаются нарушения с амплитудой свыше 10 - 15 м. Надежное прогнозирование мелкоамплитудных тектонических нарушений, смещающих угольные пласты на 0.1 – 10 м, остается нерешенной проблемой, так как не выявленные нарушения влияют не только на технико-экономический показатели добычных участков, но и на работу шахты в целом. Даная проблема привлекает многих исследователей, так как из-за своей сложности представляет большой научный интерес и имеет непосредственное практическое применение.
К настоящему времени накопился довольно большой опыт прогнозирования разрывных нарушений на всех стадия освоения месторождения. Используются как самостоятельные методики, так и в сочетании с несколькими различными методиками. Известны графические, геофизические и геологические методы выявления мелкоамплитудных тектонических нарушений.
Современный уровень развития сейсмических методов разведки позволяет прейти от прогноза нарушений углевмещающего массива по пластопересечениям в отдельных точках с весьма редкой сетью скважин к выявлению, прослеживанию распространения и трассированию малоаплитудных тектонических нарушений пластов по густой сети сейсмических профилей с дневной поверхности. При этом плотность и полнота исследований гораздо выше плотности разведочных скважин даже при детальной разведке, а совокупленная стоимость сейсморазведочных работ на порядок ниже, чем разведочное бурение. Однако, как показывает опыт полевой геофизики, в настоящее время реализовано выявление геофизическими методами нарушений угольных пластов с амплитудой смещения на уровне 10 м и более.
В статье И.С.Коржова [8] описывается применение метода направленного приема сейсмических волн при прогнозе малоаплитудных разрывов. Автором был разработан способ прогноза, применявшемся в Западном Донбассе. Однако, спрогнозированная область нарушения не полностью совпадала с разрывами, выявленными в процессе бурения скважин. В работе осуществлялся прогноз только среднеамлитудных разрывов.
А.А.Глухов, А.В.Анциферов [9] рассматривают применение метода определения типов и параметров мелкоамплитудных тектонических нарушений по результатам компьютерного моделирования и теоретического анализа особенностей распространения сейсмических колебаний в угольной толще. Применялась данная методика на отраслевых предприятиях и организациях Украины, в частности на шахте «Самарская», на шахте «Октябрьская», что в ряде случаев позволило повысить надежность сейсмоакустического прогноза
М.Г.Тиркель, А.И.Компанец, Е.В.Сухина [25] рассматривают применение детальной сейсморазведки по системе наблюдений с многократными перекрытиями, совместное использование геологических и геофизических данных и новых принципов обработки и интерпретации материалов на ЭВМ, что позволяет повысить достоверность и разрешающую способность обнаружения и прослеживания тектонической нарушенности угольных пластов с амплитудой смещения 5 - 10м и ниже. Возможности детальной сейсморазведки реализовывались на шахте «Краснолиманская».
В.А.Гаранин, Х.Г.Сахипов [10] описывают в своей работе применение буровой сейсморазведки исключающей влияние верхних частей земной коры и создающей оптимальные условия для приема сейсмических волн. Для того чтобы эффективно применять этот метод на практике необходимо наличие двух скважин с расстоянием между ними менее 200 м, только в этом случае используя этот метод возможно установить тектонических нарушений с амплитудой 2 - 3 м. Данная методика прогона применялась на некоторых полях шахт Кузнецкого района.
А.А.Глухов, А.И.Компаниец, А.В.Анциферов [26] в статье рассматривают вопросы шахтной сейсморазведки, как один из наиболее эффективных геофизических методов прогноза строения горного массива. Этот метод базируется на использовании систем критериев, основанных на анализе амплитудных, частотных, скоростных и иных характеристик информационных волновых пакетов различной природы. Установлены экспериментально и подтверждены теоретическими расчетами зависимости структуры сейсмического сигнала и параметров волновых пакетов различной природы от характеристик основных типов геологических нарушений угольных платов.
Тем не менее, у этого метода есть и свои существенные недостатки: при постепенном переходе к отработке более тонких и глубоко залегающих пластов использование сейсморазведки приводит к недееспособности существующих систем критериев. Дальнейшее повышение достоверности прогноза в 2 - 5 раз возможно за счет получения трехмерного изображения структурно-тетонического строения массива горных пород в пределах шахтного поля. Геофизические методы определения мелкоамплитудных тектонических нарушений пока в нашей стране не получили широкого распространения
В.В.Назимко, А.В.Мерзликин, В.С.Захаров [27] в своей работе для прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений предлагают использовать нейронные сети и генетические алгоритмы. Это относительно новое направление в науке, которое получило широкое распространение в развитых западных странах при прогнозировании политических, экономических, физических, биологических и других многосоставных процессов. Данная методика заключается в том, что, учитывая всю накопленную информацию об исследуемом объекте, устанавливается связь между его элементами и параметрами и с высокой степенью точности спрогнозировать исследуемое явление. Так же данная методика имеет несколько преимуществ: относительно не высокую трудоемкость и себестоимость, что особенно важно для наших горных предприятий
Как говорилось выше, существуют еще и другие методы определения мелкоамплитудных тектонических нарушений. В частности в Донбассе на разведывательных предприятиях получил широкое распространение метод аналогий, который заключается в перенесении закономерности развития маллоаплитудных разрывов которые были установлены на ближайших эксплуатируемых участка, на разведываемые участки. Надежность данного метода достаточно не высокая. Некоторые ученные занимались изучением закономерности развития и установления связей между малоаплитудными и большими тектоническими нарушениями.
Так одним из первых, кто занялся этим вопросом был А.А.Белицкий, который в своей работе [11] сделал вывод, что малоаплитудные разрывы в пространстве всегда связаны с большими разрывами. Автор предложил взять за основу прогноза нарушенности шахтных полей выявленную закономерность.
При исследовании закономерностей изменения больших и средних разрывов установлено, что в местах резкого уменьшения амплитуды основного разрыва, как правило, расположен малоамплитудный разрыв с амплитудой, близкой к величине уменьшения. При этом выявлено следствие действия определенного механизма, управляющего динамикой и кинематикой развития мелкоамплитудных тектонических нарушений
Занимались этим вопросом в своей статье Е.Ф.Шкурсий [20]. Было сделано предложение, что оперяющий крупный разрыв малоаплитудные нарушения распространяются в плоскости пласта в пределах площади, ограниченной эллипсом. С увеличением длины разрыва до точки с максимальной амплитудой повышается интенсивность прироста площади, покрываемой оперяющими нарушениями, и наоборот. Изучались крупные нарушения в условиях Селезневского и Алмазно-Марьевского геолого-промышленного района. В процессе изучения установили, что действительно с увеличением длины крупного геологического нарушения расстояние, на которое распространяются оперяющие его малоаплитудные нарушения, увеличивается в перпендикулярном направлении, растет и покрываемая ими площадь.
Многие ученные занимались изучением керна геолого-разведывательных скважин. Информация полученная по данным исследования керна позволяет установить наличие тектонического нарушения в зона разведочной скважины. На этой основе Ю.Н.Нагорным, В.Н.Нагорным [12] была разработана методика прогнозирования мелкоамплитудных тектонических нарушений, которая основывается на исследовании фактической нарушенности мелкоамплитудных нарушений отработанных частей шахтопластов, и определения ее количественной оценки, при этом выделяется пять категорий нарушений. Затем по керну геолого- разведывательных скважин исследуется интервал пород на 50 - 100 метров выше и ниже угольно пласта, устанавливается количественная оценка нарушений отдельных пачек горных пород. После чего рассчитывается средняя степень нарушения пород интервала в скважинах и проводится их разделения на пять категории, которые отвечают категориям фактических нарушений. Это позволяет осуществлять прогноз на неотработанные части шахтных пластов. Однако у этого метода имеются свои недостатки, к которым относится определенный субъективизм в описании керна разными работниками; невозможность определения элементов залегания плоскости сместителя и амплитуды нарушения.
Рисунок 1. Дизьюктивные дислокации (4 кадра, задержка - 50 млсек, размер - 42 кб).
В.А.Букринским [28] был предложен метод прогноза мелкоамплитудных тектонических нарушений непосредственно в горных выработках. Суть метода заключается в том, что происходит изменение трещиноватости угля по мере приближения забоя выработки к геологическому нарушения. Для разных районов угольных месторождений существуют свои характерные системы трещин, но с приближением к разрывным нарушениям характер трещиноватости меняется. Максимумы систем изменяются, раздваиваются или вообще исчезают. Данный метод имеет определенные недостатки, к которым относится низкая эффективность, так как этот метод только уточняет возможное положение малоаплитудных разрывных нарушений в пределах выемочного столба.
Данным вопросом, занимался также А.В.Стягун [13]. Автором была разработана методика прогнозирования горно-геологических условий отработки запасов угля для эффективного использования комплексной механизации в условиях Донецко-Макеевского геоло-промышленного района Донбасса. Установлена степень количественного влияния тектонических нарушений на технологический процесс выемки угля. Основным фактором, влияющим на использование выемочной механизации, являются разрывные нарушения. Получены корреляционные зависимости между количеством мелкоамплитудных тектонических нарушений и их параметрами: протяженностью и амплитудой разрывов. Установленные зависимости позволяют осуществить прогноз количества разрывных нарушений заданной протяженности и амплитуды. Предложен показатель степени общей тектонической нарушенности угольных пластов Кс на шахтах, позволяющий учитывать все виды геологических нарушений, влияющих на использование выемочных комплексов.
В.Ф.Приходченко в своей работе [17], [18] предложил ряд методов прогноза, в основе которых лежит генетическая связь малоаплитудной разрывной нарушенности с конкретными геологическими факторами. В целом они дают удовлетворительную сопоставимость прогнозных и фактических данных. Но этот метод прогноза не дает одновариантного ответа.
Наибольшее распространение в практике горных работ получили графо-аналитические и вероятно-статистические методы прогнозирования малоаплитудной разрывной нарушенности.
Графический метод выявления мелких нарушений предложил А.И.Осецкий [23]. Суть данного метода заключается в том, чот на гипсометрическом плане строят несколько параллельных разрезов. Очевидно, что в случае разрыва сплошности угольного пласта на этих разрезах линия его подошвы будет иметь скачек по высоте. Разрешающаяся способность данного метода связана с точностью определения отметок точек встречи угольного пласта с разведочными скважинами и плотностью разведочной сети. Способ дает хорошие результаты на пологих пластах. Для которых характерны тектонические разрывы, простирающиеся по падению пласта. Однако у этого способа имеются свои недостатки: невозможность применения на наклонных и крутых пластах, и должна быть плотная разведочная сеть.
Графоалитический метод, основанный на связи трещиноватости тектонической структуры угленосной толщи, разработан Букринским В.А. Теоретической базой данного метода является представление о едином механизме образования складчатости, разрывных нарушений и трещиноватости. Метод заключается в анализе графиков, характеризующих изменение трещиноваточти в зависимости от расстояния до разрывного нарушения. По графикам определяют момент «всплеска», т.е. такую точку после которой значения показателей резко увеличиваются. Расстояние от этой точки до разрывного нарушения называется зоной влияния разрывного нарушения на трещиноватость.
Вероятно-статистические методы прогнозирования базируется на массовой обработке геолого-маркшейдерской информации об изучаемом явлении. С их помощью устанавливают статистические связи между отдельными параметрами мелкоаплитудного нарушения и некоторыми характеристиками углей вмещающей толщи. К таким характеристикам обычно относят изменчивость гипсометрии, протяженность крупных разрывов, прочность угля и вмещающих пород, углы падения пласта, глубину залегания, расстояние до крупного нарушения, местоположение участка месторождения в складке, мощность и вещественный состав пород и др.
Заключительная часть
Анализ существующих методов прогноза свидетельствует о том, что необходимо разработать метод, который бы сочетал низкую стоимость, малую трудоемкость и более полно использовал накопленную информацию о вскрытых на смежных к прогнозному участках малоамплитудных нарушениях. Для этого необходимо детально изучить механизм зарождения и развития малоамплитудных разрывных нарушений. Существующие методы прогноза малоамплитудных разрывных нарушений угольных пластов не обеспечивают должной достоверности и надежности полученных резутьтатов. Для повышения надёжности необходимо использовать сочетание методов прогнозирования, что в свою очередь повышает трудоёмкость и увеличивает затраты на проведение работ.
Реализация методов прогноза возможно только непосредственно в горных выработках. Существующие в настоящее время методы прогноза не обеспечивают достаточную надёжность и достоверность полученных результатов. В связи с этим необходимо разработать метод прогноза малоамплитудной нарушености, который более полно использует накопленную информацию о вскрытых и подтвержденных нарушениях, позволяющих достоверно определить координаты и амплитуды разрывов на спроектируемых участках с достаточно высокой вероятностью и минимальными затратами. Предложеные показатели степени нарушености, учитывая влияние всех типов геологических нарушений, позволяет судить и об уровне использования комплексной механизации, дает возможность решать задачи текущего и перспективного планирования развития горных работ.
Перечень ссылок
1. Единая методика прогнозирования горно-геологических условий разработки угольных пластов. – Л., ВНИМИ, 1982. – 30с
2. Методические рекомендации по прогнозированию горно-геологических условий разработки угольных пластов на шахтах Минуглепрома УССР. – Донецк, ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1985, - 8с
3. Указания о порядке и контроле безопасного ведения горных работ в опасных зонах. – Л., ВНИМИ, 1986. – 42с.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа.- М: Минуглепром СССР, 1989. - 192с.
5. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - К,2004. - 128с
6. Указания о порядке и контроле безопасности ведения горных работ в опасных зонах/ВНИМИ. -Л., 1986. - 34с.
7. Маркшейдерские работы на угольных шахтах и разрезах. Инструкция: Киев., 2001 - 264с
8. Коржов И.С. Выделение малоамплитудных дизъюнктивов методом регулируемого направленного приёма // Методы изучения тектоники угольных месторождений в процессе разведки и эксплуатации.-М., Недра.-1981.-С142-143.
9. Глухов А.А. Анциферов А.В. Метод определения типа и параметров малоамплитудной тектонической нарушенности угольного пласта // Проблемы горного давления.-2001.-№5-С.106-113.
10. Гаранин В. М. Сахипов Х. Г. Применение скважинной сейсморазведки для детального изучения тектонического строения шахтных полей // Методы изучения угольных месторождений в поцессе разведки и эксплуатации.-М.: Недра.-С160-162
11. Белицкий А.А. К разкаботке методики прогноза нарушенности шахтных полей Кузбасса // Вопросы геологии Кузбасса. - Изд-во Томского университета, 1959.-Т.99. - С. 180-195.
12. Нагорный Ю.Н., Широков А.З., Нагорный В.Н. Прогноз степени нарушенности пластов мелкоамплитудными разрывами на глубоких горизонтах // Уголь Украины.-1984.-№4-С.36-37.
13. Стягун А.В. О погнозировании мелкоамплитудных разрывных нарушений // Разработка МПИ (маркшейдерское дело) -К.:Техника.-1982.-С. 39-43.
14. Григорьев В.Е. Зависимость тектонической нарушенности угольных пластов от вещественного состава и физико-механических свойств вмещающей толщи пород // Труды ВНИМИ.-Л., 1970.-Сборник 80.-С.110-115.
15. Ващенко В.И. Особенности проявления мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов Красноармейского геолого-промышленного района// Геологический журнал.-1985.-№6.-С.38-41
16. Безруков Ю.Е. Малоамплитудные разрывы в угольных толщах и закономернисти их размещения на месторождениях Кузбасса. Автореф. дис... канд. геол. мин. наук: 04.00.16. // МГРИ.-М.,1985.-20с.
17. Приходченко В.Ф. Закономерности развития и прогноз малоамплитудных тектонических разрывов угольных пластов северо-западной части Донбасса: Автореф. дис... геол. мин. наук: 04.00.19// ИГГГИ. Л,-36с.
18. Приходченко В.Ф. Прогноз малоамплитудной разрывной нарушенности угольных пластов на основе геофизических исследований скважин // Геолгия угольных месторождений: Межвузовский научно-тематический сборник.-Екатеринбург.-1997.-С.200-2002.
19. Гзовский М.Ф. Соотношение между тектоническими разрывами и напряжениями в земной коре:// Разведка и охрана недр.-1956.-№11.-С.7-22.
20. Шкурский Е.Ф. Прогноз малоамплитудной нарушенности глубоких горизонтов шахтных полей Алмазно-Мрьевского угленосного района(Донбасс) Автореф. дис... канд. геол. мин. наук: 04.00.16 // ДГИ Днепропетровск, 1976.-23с.
21. Кущ О.А. Разрывная тектонике и прогноз шахтных полей Юго-запдного Донбасса. Автореф. дис... канд. геол. мин. наук: 04.00.16/ДГИ.- Днепропетровск,НГАУ,-С.5-9.
22. Вареха Ж.П. Кизилов Н.П. Установление количественной оценки тектонической нарушенности шахтных пластов Саранского участка // Технология и механизация угольной промышленности Карагандинского бассейна.-1972.-С.49-50.
23. Осецкий А.И., Глущко В.Т., Зорин А.Н. и др.-Выявление вероятных тектонических нарушений и выборосоопасных зон -К.: Наукова думка,1973.-118с.
24. Привалов В.А. закономерности развития малоамплитудной тектонической нарушенноси угольных пластов и её прогнозирование: Автореф. дис... канд. геол. мин. наук:04.00.16-Л.,1987.-23с.
25. Тиркель М.Г., Компаниец А.И., Сухина Е.В. Выделение зон теконической нарушенности по сейсморазведочным данным. // Уголь Украины.-09.2005- с.43-45
26. Глухов А.А., Компаниец А.И., анциферов А.В. Прогоноз тектонических нарушений угольных пластов методом сейсмического просвечивания. // Уголь Украины.-08.2007- с.41-45
27. Назимко В.В. Мерзликин А.В. Опыт применения нейронных сетей и генетического алгоритма для прогноза малоамплитудных нарушений
28. Букринским В.А. Вопросы геометризации физико-технических и горно-геологических показателей месторождений для моделировения на ЭВМ.- М:-1966.-127с.
|
