Институт горного дела и геологии
Специальность: Маркшейдерское дело
Актуальность темы
В связи с ведением горных работ на больших глубинах (800-1000м), 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 800м работает 140 шахт, 40 шахт работает на глубинах более 1000м. 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 разведке малоамлитудные тектонические нарушения могут привести к:
- внезапным выбросам угля и газа;
- усложняют ведение очистных и 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. Таким образом, прогноз мелкоамплитудных разрывных нарушений, не выявленных в процессе детальной разведки, является весьма актуальным.
Цель работы
Целью этой работы является исследование тектонической нарушенности угольных пластов Донбасса, разработка метода прогноза и установление связи трещиноватости угольного массива с мелкоамплитудными разрывными нарушениями. Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ существующих методов прогноза тектонической нарушенности угольных пластов.
2. Классификация нарушений по степени их влияния на технологический процесс выемки угля.
3. Установление связи между содизъюнктивными трещинами и элементами залегания мелкоамплитудных нарушений с целью прогноза тектонических нарушений.
Методы исследования
Применяется комплексный метод исследования, включающий целенаправленный анализ литературных источников, анализ вопросов по прогнозированию тектонической нарушенности, использование корреляционного аппарата математической статистики.
Идея работы
Трещиноватость угольного массива первична по отношению к разрывным тектоническим нарушениям. Таким образом, геометризация трещиноватости угольного массива позволит осуществить прогноз элементов залегания мелкоамплитудных разрывных нарушений.
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 10-15м. Данная проблема привлекает многих исследователей, так как из-за своей сложности представляет большой научный интерес и имеет непосредственное практическое применение. Надежное прогнозирование мелкоамплитудных тектонических нарушений, смещающих угольные пласты на 0.1-10м, остается нерешенной проблемой, так как не выявленные нарушения влияют не только на технико-экономический показатели добычных участков, но и на работу шахты в целом.
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, графоаналитические, геофизические, геологические и вероятностно-статистические методы выявления малоамплитудных тектонических нарушений. К этому времени исследования в области прогноза тектонических нарушений велись по двум направлениям.
1. Прогноз положений и параметров отдельных нарушений.
2. Количественная оценка нарушенности угольных пластов.
Однако сказать, что одно из направлений дает полный ответ на вопрос о нарушенности пласта нельзя. 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 малоамплитудных 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 10м и более. В статье И. С. Коржова [1] описывается применение метода направленного приема сейсмических волн при прогнозе малоамплитудных разрывов. Автором был разработан способ прогноза, который применялся 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 [2] рассматривают применение метода определения типов и параметров малоамплитудных 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.
В. А. Гаранин, Х. Г. Сахинов [3] 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 200м, только в этом случае используя этот метод возможно установить тектонические нарушения с амплитудой 2 - Зм. Данная методика прогона применялась на некоторых полях шахт Кузнецкого района. А. А. Глухов, А. И. Компаниец, А. В. Анциферов [4] 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-тектонического строения массива горных пород в пределах шахтного поля. Однако, геофизические методы определения малоамплитудных тектонических нарушений пока в нашей стране не получили широкого распространения. В. В. Назимко, А. В. Мерзликин, В. С. Захаров [5] в своей работе для прогноза малоаплитудных 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 позволяющая 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 закономерностей развития малоамплитудных разрывов, которые были установлены на ближайших эксплуатируемых участках, на разведываемые участки. Надежность данного метода не достаточно высокая. Некоторые ученые занимались изучением закономерности развития и установления связей между малоамплитудными и крупными тектоническими нарушениями. Так одним из первых, кто занялся этим вопросом был А.А.Белицкий, который в своей работе [6] сделал вывод, что малоамлитудные 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 малоамплитудных тектонических нарушений Е. Ф. Шкурсий [7], было сделано предположение, что оперяющие крупный разрыв малоамлитудные 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 малоамлитудные нарушения, увеличивается в перпендикулярном направлении, растет и покрываемая ими площадь.
Многие ученные с целью прогноза занимались изучением керна геолого-разведывательных скважин. Информация, полученная по данным исследования керна, позволяет установить наличие тектонического нарушения в зоне разведочной скважины. На этой основе Ю. Н. Нагорным, В. Н. Нагорным [8] была разработана методика прогнозирования малоамплитудных тектонических нарушений, которая основывается на исследовании фактической нарушенности малоамплитудных 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 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. 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. В. А. Букринским [9] был предложен метод прогноза малоамплитудных тектонических нарушений непосредственно в горных выработках. Суть метода заключается в том, что происходит изменение 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 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 малоамплитудных разрывных нарушений в пределах выемочного столба.Данным вопросом занимался также А. В. Стягун [10]. Автором была разработана методика прогнозирования горно-геологических 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 малоамплитудных 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 [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. Но этот метод прогноза не дает одновариантного ответа.Наибольшее распространение в практике горных работ получили графо-аналитические и вероятно-статистические методы прогнозирования малоамплитудной разрывной нарушенности. Графический метод выявления мелких нарушений предложил А. И. Осецкий [13]. Суть данного метода 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 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, должна быть плотная разведочная сеть.
Графоалитический метод, основанный на связи трещиноватости тектонической структуры угленосной толщи, разработан В. А. Букринским [9]. Теоретической базой данного метода является представление о едином механизме образования складчатости, разрывных нарушений и трещиноватости. Метод заключается в анализе графиков, характеризующих изменение трещиноватости 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.
Вероятно-статистические методы прогнозирования базируются на массовой обработке геолого-маркшейдерской информации об изучаемом явлении. С их помощью устанавливают статистические связи между отдельными параметрами малоамплитудного 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.
(6 кадров, задержка - 50 млсек, размер - 145 кб).
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. Для повышения надёжности необходимо использовать сочетание методов прогнозирования, что в свою очередь повышает трудоёмкость и увеличивает затраты на проведение работ. Реализация методов прогноза возможна 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 нарушенности, который более полно использует накопленную информацию о вскрытых и подтвержденных нарушениях, позволяющих достоверно определить амплитуду разрывов на проектируемых участках с достаточно высокой вероятностью и минимальными затратами. Предложенные показатели степени нарушености, учитывая влияние всех типов геологических нарушений, позволяют судить об уровне использования комплексной механизации, дают возможность решать задачи текущего и перспективного планирования развития горных работ. Практика разработки угольных месторождений доказывает, что большинство шахтных полей имеет нарушенное залегание угольных пластов и вмещающих пород, при переходе разрывных тектонических нарушений, уровень нагрузки на очистной забой снижается.
Целью этой работы является установление связи трещиноватости угольного массива с мелкоамплитудными разрывными нарушениями и разработка метода прогноза. Для достижения цели в работе необходимо проанализировать существующие методы прогноза тектонической нарушенности угольных пластов на основе геолого-маркшейдерской документации. Классифицировать нарушения по степени их влияния на технологический процесс выемки угля, изучить процесс образования тектонических разрывов. Определить соотношение между параметрами и элементами залегания малоамплитудных разрывных нарушений. Разработать метод прогноза малоамплитудной тектонической нарушенности.