Донецкий Национациональный Технический Университет
Панас Павел Васильевич
Факультет: Горно-геологический (GGF)
Специальность: Маркшейдерское дело (Marksh)
Автореферат работы
Научный руководитель: Стягун Анатолий Владимирович |
Тема работы:
Разработка геоинформационной системы прогнозирования тектонической нарушенности угольных пластов
p_pacha@list.ru
Актуальность работы
Современное горное производство
характеризуется значительным усложнением горно-геологических условий отработки месторождений
в связи с увеличением глубины отработки и вводом в эксплуатацию новых, как правило, более сложных по своему геологическому
строению участков залежей. В такой ситуации оперативный и точный прогноз горно-геологической обстановки,
oсобенно важен при использовании высокопроизводительной добычной и проходческой техники, приобретает важное значение.
Наличие сложных тектонических структур,
довольно часто сопровождаются внезапными выбросами угля и газа ,
что создаёт угрозу жизни людей и осложняет ведение очистных и подготовительных работ.
Особенно большое влияние на эффективность работы механизированных комплексов оказывают тектонические
нарушения, не выявленные в процессе детальной разведки. Неожиданная встреча тектонических нарушений ведёт
к резкому снижению производительности труда, а иногда к остановке очистного забоя и демонтаж комплекса.
Запасы расположенные в зонах проявления геологических нарушений, списываются с баланса шахты из-за
нецелесообразности или невозможности их отработки, все эти факторы отрицательно сказывается на
экономических показателях предприятия.
Цель работы
Цель работы заключается в разработке
геоинформационной системы прогнозирования тектонической нарушенности угольных пластов.
Идея работы
Идея работы заключается в установлении
закономерностей проявления тектонических нарушений угольных пластов Донецко-Макеевского района
Донбасса для разработки геоинформационной системы прогнозирования тектонической нарушенности угольных пластов.
Что повысит эффективность использования комплексной механизации очистных работ.
Обзор и состояние исследований по теме
Проблема прогнозирования
тектонической нарушенности месторождений привлекает много исследователей, так как
из-за своей сложности представляет большой научный интерес и имеет прямой выход в практику. При этом
одни ученые базируют свои методы на широком привлечении качественных геологических понятий, другие
используют для этих целей количественные геофизические методы. В настоящее время существует множество различных способов прогнозирования малоамплитудной
разрывной нарушенности, существующих как самостоятельно, так и в сочетании нескольких различных методов.
На горнодобывающих предприятиях Донбасса широкое применение получили геофизические методы прогноза
Суть данной группы методов основывается на отличиях физических свойств газо- и водонасыщенности,
газопроводности нарушенных и ненарушенных участков угольного массива.
Сейсморазведка на глубине до 2000 м и горизонтальным
залеганием пород позволяет выявить тектонические разрывы, которые подтверждаются в 70 процентах случаях.
Однако прогноз малоамплитудной нарушенности с использованием сейсморазведки
требует применения дорогостоящего оборудования и большой трудоёмкости работ.
В статье И.С. Коржова[1] описывается применение метода направленного приёма сейсмических волн при прогнозе
малоамплитудных разрывов. Автором был разработан способ прогноза, применявшейся в Западном Донбассе.
Однако спрогнозированная область нарушения не полностью совпадала с разрывами, выявленными в процессе
бурения скважин. В работе осуществлялся прогноз только среднеамлитудных разрывов.
Глухов А.А. и Анциферов А.В. в работе [2] рассматривают применение метода определения типов и параметров
малоамлитудной разрывной нарушенности по результатам компьютерного моделирования и теоретического
анализа особенностей распространения сейсмических колебаний в угольной толще. Данная методика применена
при прогнозе типов и параметров нарушенности на отраслевых предприятиях и организациях
Украины (ш. им. ”Самарская”, ш. ”Октябрьская”, ГОАО ”Южнодонбасская”) что позволило в ряде случаев,
повысить надёжность сейсмоакустического прогноза.
Прогнозирование с использованием наземной сейсморазведки в данное время являются недостаточно эффективными.
При прогнозе малоамплитудных разрывов возможны погрешности. Следовательно на ряду с методами прогноза,
основанными на базе наземных сейсмических исследований разработана группа методов, основанных
на сейсмических исследованиях в буровых скважинах и горных выработках.
В работе В.А. Гаранина и Х.Г. Сахипова[3] описано применение буровой сейсморазведки исключающей влияние верхних
частей земной коры и создающей оптимальные условия для приёма сейсмических волн.
Для эффективного применения этого метода необходимо наличие двух скважин с расстоянием между ними
менее 200 м. В этом случае метод позволяет установить разрывы с амплитудой 2-3 м.
С помощью данной методики был осуществлён прогноз на некоторых полях шахт Кузнецкого района.
Методы шахтной сейсморазведки являются наиболее эффективными из существующих, но их применение возможно
на стадии разработки месторождения следовательно необходимо наличие действующих горных выработок .
В общем, перспектива геофизических методов прогноза малоамплитудной разрывной
нарушенности угольных пластов очевидна однако несовершенство аппаратуры, неоднозначная трактовка
результатов прогноза, присутствие неучтенных факторов значительно сужают сферы применения этих методов,
снижают точность и достоверность прогнозов. Значительная трудоемкость, большая стоимость и не
использование накопленной информации о ранее вскрытых и подтвержденных разрывах снижает уровень
надежности прогнозирования нарушенности.
На разведывательных предприятиях Донбасса для прогноза
малоамплитудных разрывных нарушений используется метод аналогий. Метод заключается в перенесении
закономерности развития малоамплитудных разрывов, которые были установлены на ближайших
эксплуатируемых участках, на разведываемые участки. Но надёжность данного метода невысока.
Некоторыми учеными были исследованы закономерности развития и установления связей между
малоамплитудными и большими тектоническими структурами.
А.А. Белицкий в своей работе [4] вывод, что малоамплитудные разрывы в пространстве всегда связаны
с большими разрывами. Автором предложено 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 малоамплитудных разрывных нарушений.
Однако сам механизм не исследован.
Изучением керна геолого-разведывательных скважин занимались многие ученые.
Информация полученная по данным исследования керна (трещиноватость, зеркала скольжения и т.п.),
позволяет установить наличие тектонического нарушения в зоне разведочной скважины .
На этой основе Ю.Н. Нагорным, В.Н. Нагорным и др.[5] была разработана методика прогнозирования
малоамплитудных разрывных нарушений угольных пластов. Она основывается на исследовании фактической
нарушенности малоамплитудными нарушениями отработанных частей шахтопластов, и определения ее
количественной оценки (выделяется пять категорий нарушений). Затем по керну геолого-разведывательных
скважин исследуется интервал пород на 50 - 100 метров выше и ниже угольного пласта, устанавливается
количественная оценка нарушений отдельных пачек горных пород. После чего рассчитывается средняя
степень нарушения пород интервала в скважинах и проводится их разделение на пять категорий, которые
отвечают категориям фактических нарушений. Это позволяет осуществлять прогноз на неотработанные
части шахтных пластов. Недостатком этой методики является определенный субъективизм в
описании керна разными работниками. Также к недостатками этой методики относится невозможность
определения элементов залегания плоскости сместителя и амплитуды нарушения.
В.А. Букринским [6] был предложен метод прогноза малоамплитудных
нарушений непосредственно в горных выработках . Сущность метода заключается в изменениях
трещиноватости угля по мере приближения забоя выработки к геологическому нарушению .
Для разных районов угольных месторождений существуют свои характерные системы трещин,
но с приближением к разрывным нарушениям характер трещиноватости изменяется.
Максимумы систем изменяются, раздваиваются или исчезают. При этом исчезают, как правило, системы,
которые имеют одинаковые элементы с разрывом. Метод прогноза, основанный на динамике трещиноватости,
имеет низкую эффективность, поскольку он только уточняет возможное положение малоамплитудных разрывных
нарушений в пределах выемочного столба.
Прогнозирование разрывов с помощью исследования трещиноватости в условиях,
осуществлялось также и А.В. Стягуном [7]. Методика наблюдения за трещиноватостью представлена на (рис. 1)
Рисунок 1. Изменение интенсивности трещиноватости угля при подходе к нарушению.
Автором была разработана методика прогнозирования горно-геолочических условий отработки
запасов угля для эффективного использования комплексной механизации в условиях
Донецко-Макеевского геолого-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 мелкоамлитудных
разрывных 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.
Установлена, ширина зоны влияния мелкоамплитудных тектонических
нарушений и ширина зоны интенсивной трещиноватости угольного массива, прилегающего к нарушению,
связь между зоной интенсивной трещиноватости и амплитудой разрыва. Полученные связи дают возможность
прогнозировать расстояния до мелкоамлитудных тектонических нарушений.
Экономический эффект от прогнозирования только одного тектонического
нарушения в 1977г. на шахте им. А.Ф. Засядько производственного объединения "Донецкуголь" составил 47.48 тыс.руб.
В работе В.Е. Григорьева [8] рассмотрена зависимость интенсивности
проявления малоамплитудной разрывной нарушенности от литологического состава пород междупластья.
Автором установлено, что в угольных пластах, которые размещены в породах преимущественно
песчаникового состава, наблюдается наибольшее, а в пластах, расположенных в породах аргиллитового
и алевролитового состава - наименьшее количество малоамплитудных разрывов. Приведена
статистическая зависимость нарушенности угольных пластов от средневзвешенной прочности пород
междупластья.
В.И. Ващенко [9] определил принадлежность зон малоамплитудных разрывов к местам выклинивания мощных
тел песчаников на шахтах Красноармейского геолого-промышленного района. Ю.Е. Безруков [10]
также исследовал влияние литологического состава пород междупластья на интенсивность проявления
малоамплитудных разрывов угольных пластов на примере Кузбасса. Автором сделан вывод, что
повышенная концентрация малоамплитудных разрывов приурочена к участкам, составленных, главным
образом, комплексом пород меньшей прочности. Исследования, посвященные литологическому контролю
малоамплитудной разрывной нарушенности угольных пластов, развиваются в двух направлениях: работы,
в которых устанавливается, какие толщи являются более нарушенными преимущественно песчаниковые
или аргилито-алевролитовые и работы, которые прослеживают скопление малоамплитудных разрывов в
местах резкого изменения строения междупластья. Несмотря на иногда противоположные выводы исследователей
можно отметить, что данное направление является довольно перспективным для разработки методов
прогноза малоамплитудной разрывной нарушенности. Однако использование лишь одной литологической
характеристики угленосной толщи значительно снижает возможность осуществление
достоверного прогноза.
Основным недостатком методов прогноза малоамплитудной
нарушенности основанной на аналогии является качественный подход и неконкретность.
Невозможность определения координат и амплитуды малоамплитудного разрыва.
В.Ф. Приходченко [11, 12] предложил ряд методов прогноза, в основе которых лежит генетическая связь
малоамплитудной разрывной нарушенности с конкретными геологическими факторами.
В целом они дают удовлетворительную сопоставимость прогнозных и фактических данных.
Однако иногда применение этих методов не дает одновариантного прогноза.
Изучения закономерностей развития малоамплитудной разрывной
нарушенности на отработанных площадях, и установление статистических связей между степенью
нарушенности и разными показателями строения угленосной толщи дают возможность использования
полученных данных для разработки методов прогноза. М.В. Гзовский [13], впервые для рудных районов
Каратау, установил обратно пропорциональную зависимость возрастания логарифма числа разрывов Ign
от логарифма длины разрывов lgl с коэффициентом пропорциональности минус 1 - минус 1.3.
lg n=-(1.0-1.3) lgl
Е.Ф. Шкурский [14] в своих работах выполнил расчеты фактического количества разрывов (n) определенной длины (l),
которые приходятся на квадратный километр исследованной площади в условиях Алмазно-Марьивского
геолого-промышленного района Донбасса. Установленные эмпирические зависимости для крутых южных
(n = 2,7/1) и пологих северных (n = 1.35/1) крыльев антиклиналей.
В работе О.А. Куща [15] установлена зависимость между стратиграфической амплитудой (N) и зоной влияния нарушения (В) для условий юго-западного Донбасса. Уравнение связи имеет вид
В = Ю.12 N 0.758
В статье Ж.П. Варехи и Н.П. Кизилова [16] рассчитана плотность проявления
малоамплитудных разрывов для Саранского участка Карагандинского угольного бассейна. Установлено,
что с глубиной, наиболее сильно плотность возрастает для разрывов с амплитудами 0,5-1,0 м.
На примере Прокопьевско-Кисилевского месторождения Кузбасса доказано, что зоны повышенной
интенсивности малоамплитудной разрывной нарушенности расположены вблизи замковых частей
складок и крупноамплитудных дизъюктивов.
Группой исследователей были разработаны методы прогноза разрывов,
основанные на применении графического и математического моделирования.
Эти методы основаны на изучении переменчивости строения поверхности угольного пласта.
Метод прогноза малоамплитудных разрывов с помощью спаренных пересечений был предложен
О.И. Осецким [17], но применение этого метода возможно в условиях моноклинального
залегание пород.
Методы прогноза малоамплитудной разрывной нарушенности на основе исследования поверхности
угольного пласта развиваются также в работe В.А. Привалова[18] . Он осуществляет прогноз
"тектоногазодинамических" условий с помощью расчета энтропии поверхности пласта. Под энтропией
понимается сложность перехода поверхности к плоскости. Рассчитывается она как максимальная длина
между концами векторов в розе градиентов пласта.
Прогноз малоамплитудной разрывной нарушенности основанный на
оценке складчатого строения поверхности угольного пласта, является очень перспективным.
Но на сегодняшний день не найден оптимальный показатель, который бы достоверно и однозначно
оценивал сложность строения поверхности пласта. Поэтому в этом направлении ведётся большое
количество исследовательских работ.
Данные о динамике и кинематике напряженно-деформированного состояния массива в близи
малоамплитудного нарушения очень важны для реконструкции их параметров. Однако большинство
работ направлены на исследование динамики и кинематики подвижек в зонах крупноамплитудных
нарушений в то время как знания о механизме зарождения и развития малоамплитудных разрывных нарушений
не отличаются полнотой , достаточной для их применения в целях прогноза.
Существующие в настоящее время методы прогноза не обеспечивают
достаточную надёжность и достоверность полученных результатов. Для повышения надёжности необходимо
использовать сочетание методов прогнозорования, что в свою очередь повышает трудоёмкость и увеличивает
затраты на проведение работ.
Перечень нерешенных вопросов задачи исследований
В работе необходимо выполнить анализ влияния степени метаморфизма на нарушенность
угольных пластов.
Установить изменчивость показателя нарушенности, в связи с изменением глубины отработки.
Научная новизна работы
Впервые определен коэффициент изменения показателя нарушенности угольных пластов,
в зависимости от изменения глубины отработки. Выполнен анализ влияния степени метаморфизма
на нарушенность угольных пластов. Разработана геоинформационная система прогнозирования
тектонической нарушенности угольных пластов.
Практическая ценность работы
Разработана классификаця шахтных полей по степени тектонической нарушенности позволяет определить
уровень примения выемочной техники на различных участках шахтного поля.
Основные материалы исследований
В качестве исходных материалов служили гипсометрические планы угольных пластов, планы горных выработок,
геологические разрезы и геолого-маркшейдерская информация полученная в результате полевых измерений.
Произведен анализ технологических способов создания геоинформационных систем, разработан
метод создания баз данных и программных компонентов геоинформационной системы
прогнозирования тектонической нарушенности угольных пластов
Выводы по работе
Результаты могут быть использованы при текущем и перспективном планировании горных работ на угольных
пластах пологого падения, а при соответсвующих доработках и на крутом падении.
Литература
- 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.
- Глухов А.А. Анциферов А.В. Метод определения типа и параметров малоамплитудной тектонической нарушенности
угольного пласта // Проблемы горного давления.-2001.-№5-С.106-113.
- 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.
- Белицкий А.А. К разкаботке методики прогноза нарушенности шахтных полей Кузбасса // Вопросы геологии Кузбасса. - Изд-во
Томского университета, 1959.-Т.99. - С. 180-195.
- 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.
- Букринским В.А. Вопросы геометризации физико-технических и горно-геологических показателей месторождений для моделировения
на ЭВМ.- М:-1966.-127с.
- Стягун А.В. О погнозировании мелкоамплитудных разрывных нарушений // Разработка МПИ (маркшейдерское дело) -К.:Техника.-1982.-С. 39-43.
- 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.
- Ващенко В.И. Особенности проявления мелкоамплитудной тектонической нарушенности
угольных пластов Красноармейского геолого-промышленного района// Геологический журнал.-1985.-№6.-С.38-41.
- 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.
- 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.
- 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.
- Гзовский М.Ф. Соотношение между тектоническими разрывами и напряжениями в земной коре:// Разведка и охрана недр.-1956.-№11.-С.7-22.
- 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.
- 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.
- 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.
- Осецкий А.И., Глущко В.Т., Зорин А.Н. и др.-Выявление вероятных тектонических нарушений и выборосоопасных зон -К.:
Наукова думка,1973.-118с.
- 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.
- Назимко В.В. Мерзликин А.В. Опыт применения нейронных сетей и генетического алгоритма для прогноза
малоамплитудных нарушений.