МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕЛКОАМПЛИТУДНОЙ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Автор: В.М. КАЛИНЧЕНКО

Практика разработки угольных месторождений показывает, что большинство шахтных полей имеют нарушенное залегание угольных пластов и вмещающих пород. Поэтому изучению и прогнозу тектоничес­кой нарушенности шахтных полей и отдельных угольных пластов уде­ляют самое серьезное внимание. Согласно "Классификации тектоничес­ких разрывов угольных пластов по их морфологическим признакам и величине" (Л.: ВНИМИ, 1979), различают следующие разрывные нарушения: очень крупные с амплитудой более 1000 м, протяженностью 100 км и более, являющиеся границами бассейнов, районов, месторож­дений; разведывают такие нарушения геологической, аэрофото- и косми­ческой съемками; крупные, с амплитудой от 100 до 1000 м, протяжен­ностью до 100 км; эти тектонические разломы, как правило, являются границами месторождений или шахтных полей, разведывают их методами геологической съемки, разведочного бурения, геофизическим профилированием; средние с амплитудой от 10 до 100 м, протяженностью до 10 км;  они служат естественными границами шахтных полей, блоков, панелей;  нарушения этого класса выявляют опорными  (сгущенными) профилями разведочных скважин; мелкие с амплитудой от 3 до 10 м, протяженностью от сотен до 1000 м;   выявляют их только горными выработками, подземной сейсморазведкой и частично опорными разве­дочными профилями;  очень мелкие, с амплитудой до 3 м, протяжен­ностью от десятков до сотен метров; выявляют их как мелкие наруше­ния, горными работами, подземной сейсморазведкой.

Последние два класса разрывов часто объединяют в группу мелко­амплитудных нарушений, характерной особенностью которых являет­ся затухание в угленосной толще в первых пятидесяти метрах разреза вверх и вниз от угольного пласта. Они трудно прогнозируемы и приво­дят к резкому и неожиданному осложнению условий отработки пласта, так как их практически не вскрывают, геологоразведочные работы. Важным параметром мелкоамплитудной тектоники является нарушенность шахтного поля или его части, выражаемая коэффициентами (Геометризация месторождений полезных ископаемых/Под, ред. В.А. Букринского, Ю.В. Коробченко. — М.: Недра, 1978):

 

K1=n/S;     К2 =14K3

K3=N1/L;

K4= ( hi*li)/S;          K5=N2/R.

 

где п — число разрывных нарушений определенной длины;   К2       — суммарная длина всех разрывов на изучаемой площади; S — площадь изучаемого участка; N1— число разрывных нарушений, встреченных выработкой; L—длина горной выработки; hi и li — вертикаль­ная амплитуда и длина разрывного нарушения; N2— число разрывных нарушений по простиранию шахтного поля; R — длина шахтного поля по простиранию. Эти коэффициенты и другие параметры мелкоампли­туднойтектоники являются предметом прогноза.

Количественные методы прогнозирования мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов

Наибольшее распространение в практике горных работ нашли графо­аналитические и вероятностно-статистические методы прогнозирования мелкоамплитудной нарушенности. Графическийметод выявления мел­ких нарушений предложен А.И. Осецким 1968 г.). Суть его заключает­ся в том, что на гипсометрическом плане строят несколько параллельных разрезов. Очевидно, что в случае разрыва сплошности угольного пласта на этих разрезах линия его подошвы будет иметь скачок по высо­те. Разрешающая способность 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. Графоаналитический метод,основанный на связи трещиноватости тектонической структурой угленосной толщи, разработан Букринским В.А. и др. Его теоретической базой является представлен ие о еди­ном механизме образования складчатости, разрывных нарушений и тре­щиноватости.  Метод состоит   в  анализе  графиков, характеризующих изменение трещиноватости в зависимости от расстояния до разрывного разрушения.  При этом рассматривают показатели или густоты трещин (число трещин всех систем, приходящихся на 1 м2 пласта), или относительной частоты трещиноватости (отношение максимального числа трещин системы к общему числу трещин в точке замера в процентах). Характер изменения этих показателей одинаков. Густоту трещиноватости определяют по систематическим наблюдениям  в горных выработках, результаты которых обрабатывают на стереосетках. С помощью стереосеток находят максимумы систем, их вероятные элементы залегания  и относительную частоту трещиноватости.

По графикам определяют момент "всплеска", т.е. такую точку, после которой значения показателей резко увеличиваются. Расстояние от этой точки до разрывного нарушения называют зоной влияния раз­рывного нарушения на трещиноватость. Эта зона различна для висяче­го и лежачего крыльев пластов и зависит от длины и амплитуды разрыв­ного нарушения и других факторов. Ширину зоны влияния находят для конкретных условий месторождения, что позволяет значительно облегчить прогноз местоположения разрывного нарушения впереди горной выработки. Кроме того, установлено, что вблизи разрывных нарушений происходит изменение прочностных характеристик, текстур­ных, петрографических свойств горных пород. Особое внимание еледует обращать на изменение прочностных характеристик угля в зависи­мости от расстояния до разрывного нарушения.

Вероятностно-статистические методы прогнозирования базируются на массовой обработке геолого-маркшейдерской информации об изучае­мом явлении. С их помощью устанавливают статистические связи между отдельными параметрами мелкоамплитудного 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.

Исследователями   найдены   корреляционные   зависимости   между коэффициентом нарушенности   К1    и длиной разрывных нарушений l

 ∆lg К1 = - у∆lg l ,

где ∆lg К1 — приращение логарифма числа разрывов на единицу площа­ди;

у — коэффициент пропорциональности, изменяющийся от 1 до 1,4;

∆lg l — приращение логарифма длины разрывного нарушения.

Кг = а   + Ь/1,

где а, Ь — эмпирические коэффициенты;  / — длина нарушения, км.

Между коэффициентами   К2     и   К3   существует зависимость

  К2 =14K3

Вероятность встречи   Р1    разрывного нарушения с амплитудой  h описывается уравнением 

Р1 =be-fh,

где  b, f -эмпирические коэффициенты;   е   — основание натуральных логарифмов.

Кроме приведенных выше корреляционных зависимостей, найдены связи длин и амплитуд нарушений с изменением угла падения пласта, между длиной и амплитудой нарушения и др. Однако такие зависимости в подавляющем большинстве случаев находили не в комплексе, а мето­дами парной корреляции, что приводило к ограниченным по точности и применимости результатам. Различные подходы в решении этой задачи нашли отражение и в других методиках прогнозирования. В частности, в основе некоторых из них лежит установленный факт, что все разрыв­ные формы сопровождаются изменением физико-механических, струк­турно-текстурных, технологических и других признаков углевмещающего комплекса   (В.Е. Григорьев, И.С. Гарбер, Ю.Н. Дупак, Г.А. Любич, Ю.Н. Нагорный, В.Н. Нагорный, Ю.Н. Приходько и др.). Однако исполь­зование в локальном прогнозировании установленных закономерностей ограничено, поскольку для мелкоамплитудных разрывов, по мнению большинства исследователей, мощность зон измененных пород во мно­гом определяется конкретной геологической обстановкой и зачастую не превышает амплитуду нарушения.

Ряд исследователей отмечает структурный и тектонический контроль мелкоамплитудных разрывов (В.Е. Григорьев, Ю.А. Косыгин, А.И. Осецкий, А.Б. Посудиевский, Ю.Н. Приходько и др.). Выявленные авторами закономерности позволяют оценивать насыщенность мелкими наруше­ниями зон влияния средне- и крупноамплитудных разрывов, замков складок, их крыльев и других характерных участков. Участки структур­но-тектонических образований, характеризующиеся фоновым полем на­пряжений, рассматривают как тектонические однородные зоны, латераль­ные границы которых подчиняются структурно-тектоническому конт­ролю. Однако в силу значительных размеров этих зон локальное прогно­зирование мелкоамплитудной тектоники на основе выявленных законо­мерностей затруднительно или не представляется возможным.

Фоновое поле напряжений тектонически однородных зон характери­зуется своей внутренней зональностью более высокого порядка. По мнению ряда исследователей (М.В. Гзовский, В.С. Попов), мелкие разрывы являются результатом разрядки внутрислойных напряжений, которые возникают вследствие литологической и, соответственно, прочностной неоднородности среды. На наличия литологического контроля мелкоам­плитудных нарушений указывали многие исследователи. При этом было установлено, что в конкретных геологических условиях локализация мелких разрывов угольных пластов возможна в зонах резкого выкли­нивания слоев песчаника (В.Ф. Твердохлебов), на участках перелаивания песчано-глинистых отложений (Ю.Е. Безрукое) и с наименьшей мощностью песчаников и известняков (Б.Ю. Казаков), в зонах резких фациальных изменений кровли или почвы пластов (В.И. Ващенко) и другие закономерности.

Анализ большого объема фактического материала на шахтах Дон­басса и Кузбасса, проведенный авторами, показал, что разнообразие вы­явленных взаимосвязей обусловлено тем, что главные, в наибольшей степени контролирующие нарушенность факторы, во многом определе­ны конкретной геологической обстановкой. Рассматривая мелкоампли­тудную тектонику как элемент угленосной системы, естественно пред­положить, что в ней наряду с основными существуют и второстепенные, завуалированные, в меньшей степени проявляющиеся взаимосвязи.

Наиболее полные и надежные модели нарушенное угольных пластов должны учитывать как основные, так и вспомогательные взаимо­связи, т.е. быть многофакторными.

Разработанные к настоящему времени методы прогнозирования мелкоамплитудных разрывов не дают удовлетворительного решения этой задачи вследствие сложности описываемого процесса, а также некомплексного подхода к его изучению.

Геологические предпосылки прогнозирования мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов

Пораженность мелкоамплитудными разрывами угольных пластов-это результат деформации осадочной толщи в процессе ее эволюции, определяемый механизмом деформирования и ее литолого-фациальным составом. Механизм деформирования зависит от местоположения шахт­ного поля в региональной структуре исследуемого угольного бассейна, в связи с чем его следует считать региональным или фоновым фактором, от которого зависит общая насыщенность угленосной толщи разрывны­ми нарушениями (коэффициент нарушенности). Местоположение тектонического нарушения или зон с аномальной нарушенностью зачастую связано с участками резких изменений литолого-фациального состава разреза угленосного комплекса, вмещающего из­учаемый угольный пласт. Эти участки могли являться наиболее ослаблен­ными зонами, в которых и происходила разрядка тектонических напряжений. Поэтому, исходя из принципов формационного анализа и реали­зующего его системного подхода к изучению осадочных толщ, мелкоам­плитудную нарушенность целесообразно рассматривать неразрывно со всеми наблюдаемыми горно-геологическими параметрами углевмещающего комплекса, которые предопределили развитие мелкоамплитудной тектоники. Угленосную толщу рассматривают при этом как объединен­ную единством генезиса сложную многокомпонентную систему, описать которую возможно с помощью многомерного математического моде­лирования. Для построения многомерной математической модели такой сложной системы используют алгоритм МГУА, а для выделения геологи­чески однородных объектов — алгоритмы распознавания образов.

Многомерность вероятностно-статистической модели углевмещающей толщи позволяет прогнозировать параметры мелкоамплитудной на-рушенности системно, без разрыва существующих генетических связей с использованием всего комплекса признаков, характеризующих состав и строение углевмещающей толщи.

Существует   методика   прогнозирования   нарушенности   шахтного поля   [1], которое характеризуется коэффициентом нарушенности  К, средней и максимальной амплитудами дизъюнктивов в "ближайшем рай­оне" скважины, выделенном по методу проф. Болдырева. Такой прогноз весьма важен на стадии проектирования горного предприятия для выбо­ра направления развития горных работ, средств механизации (вид ком­плекса, его типоразмер и т.д.). Приведем методику, адаптированную для прогнозирования нарушений выемочного блока (лавы). Идея прогнозирования заключается в следующем. Выемочный блок предварительно разделяют на участки длиной 200 м и шириной, равной ширине лавы. В центре его, как это делалось при прогнозе морфологии по геологическому разрезу, отстраивают стратиграфическую колонку (условная скважина). Для этой точки, характеризующей зону методами дискриминантного и вероятностно-статистического анализов, решают во­прос о вероятности появления разрыва, а на основе модели, построенной по алгоритму МГУА, в зонах с вероятными разрывами прогнозируют их амплитуду А, коэффициент нарушенности К и число ожидаемых наруше­ний N. При этом важно, что размер зоны (200x200 м) сопоставим с зо­ной влияния тектонического нарушения. Это позволяет подойти к реше­нию проблемы трассирования дизъюнктива. Таким образом, особенно­стью рассматриваемой методики является то, что прогноз дизъюнктив­ной нарушенности угольного пласта осуществляется для   выемочного блока  (лавы). Этому требованию в дальнейшем подчиняют процедуру подготовки исходной информации.