НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ
АНЦИФЕРОВ Андрій Вадимович
УДК 550.834:622.12
ТЕОРІЯ І ПРАКТИКА
ШАХТНОЇ СЕЙСМОРОЗВІДКИ
05.15.11 –“Фізичні процеси гірничого виробництва”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Донецьк - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України (м.Донецьк)
Науковий консультант:
чл.-кор. НАН України, доктор геолого-мінералогічних наук, професор АЗАРОВ Микола Янович |
Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор НАЗІМКО Віктор Вікторович, завідувач лабораторії компьютерного та фізичного моделювання необоротних процесів Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м.Донецьк); | доктор технічних наук, професор САДОВЕНКО Іван Олександрович, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ); | доктор фізико-математичних наук ПИЛИПЕНКО Віталий Миколайович, головний науковий співробітник відділу теоретичних проблем прикладної геофізики Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України (м.Київ). |
Провідна установа: | Інститут геотехнічної механіки НАН України (м.Дніпропетровськ). |
Захист дисертації відбудеться 30 вересня 2003 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.184.02 в Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецк - 114, вул. Р.Люксембург, 72.
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інститута фізики гірничих процесів НАН Украіни за адресою: 83114, м. Донецк - 114, вул. Р.Люксембург, 72.
Автореферат розісланий 29 липня 2003 року.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.184.02,
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник В.М. Ревва
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Найважливішою задачею у забезпеченні енергетичної незалежності України є розвиток вуглевидобувної промисловості, як однієї з головних складових економіки країни. Пріоритет вугілля у паливо-енергетичному комплексі і, відповідно, орієнтація на нього у державній політиці України зумовлюється тим, що вугілля є головним енергоносієм у країні, частка якого складає понад 90 % запасів вітчизняних енергоресурсів.
У той же час процес вуглевидобутку є одним з найбільш складних у розробці корисних копалин. У вуглевидобувній промисловості, як ні у якій іншій сфері гірничого виробництва, рентабельність, технологія, ефективність і безпека праці залежать від геологічних умов розроблюваних родовищ. Надійний, оперативний, випереджаючий прогноз гірничо-геологічних умов відпрацювання вугільних пластів нині набуває особливої актуальності у зв’язку зі зростаючою роллю механізації та автоматизації виробничих процесів при видобуванні вугілля, застосуванням нових технологій розробки, які ставлять підвищені вимоги до повноти і вірогідності вихідних геологічних матеріалів, що в свою чергу привело до необхідності створення принципово нових, науково обгрунтованих методів прогнозування. Одними з них є методи шахтної геофізики, насамперед, шахтної сейсморозвідки, переваги котрої теоретично обгрунтовані й практично доказані.
До цього часу накопичено значний досвід в галузі шахтних геофізичних досліджень як в Україні, так і за кордоном. За останні роки одержано нові наукові і практичні результати, значно розширена галузь їх застосування. Великий внесок у становлення гірничої геофізики та її впровадження внесли М.Я. Азаров, М.С. Анциферов, Л.М. Бреховських, А.Ф. Булат, Є.С. Ватолін, Ю.А. Векслер, В.Т. Глушко, І.І. Гурвич, В.С. Іванов, Ю.С. Ісаєв, А.І. Комаров, В.А. Мєльніков, Л.С. Метлов, А.М. Мухаметшин, Ю.Г. Мясников, Н.Р. Надирашвілі, Г.Я. Новік, В.І. Панін, Г.Г. Півняк, В.М. Пилипенко, В.К. Поляков, В.М. Проскуряков, В.В. Ржевський, А.Д. Рубан, І.О. Садовенко С.І. Скіпочка, Г.А. Соболєв, В.І. Старостенко, Г.М. Стовас, В.Г. Тарасов, М.Г. Тіркель, І.А. Турчанінов, К.Ф. Тяпкін, М.Є. Фоменко, Д.В. Яковлев, А.О. Яланський, В.С. Ямщиков та ін.
Незважаючи на перспективність і високу розподільну здатність методів сейсморозвідки, застосування їх в основному в межах оконтуреного виїмкового стовпа з використанням аналогової апаратури і ручної обробки даних значно обмежують їхні можливості та коло розв’язуваних гірничо-геологічних задач. Зокрема, аналіз й оцінка розподільної здатності застосовуваних у країнах СНД і далекого зарубіжжя методик сейсморозвідки та результатів, що досягаються, показують, що на сьогодняшній день теоретично обгрунтовані, добре відпрацьовані і мають високій рівень вірогідності прогнозу лише методики виявлення й оцінки параметрів основних типів порушень вугільного пласта з використанням каналових хвиль, які однак, неприйнятні для умов кам’яновугільних басейнів України внаслідок малої потужності вугільних пластів, що відробляються. Тому методики і критерії виявлення й оцінки характеристик більшості типів порушень на основі використання параметрів хвильового поля потребують узагальнення чи спеціальної розробки. У результаті відсутності таких методик одержувані прогнозні дані про геологічні порушення часто мають надто наближений характер. Слід відзначити, що планомірних досліджень як у теоретичній, так і у практичній галузях застосування шахтної сейсморозвідки в умовах, характерних для родовищ України, раніше практично не проводилось.
Тому розроблення теоретичних і методологічних основ застосування шахтної сейсморозвідки для прогнозу геологічних порушень вугленосних формацій України (на базі глибокого вивчення суті явищ та фізичних процесів, що досліджуються, та застосування сучасних методів математичного моделювання для аналізу всього різноманіття хвильових пакетів коливань) є актуальною науково-прикладною проблемою, що має важливе народно господарське значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця робота виконувалась у рамках наукових програм, тем, галузевих державних планів Мінвуглепрому СРСР, Мінвуглепрому України, Держкомгеології України і Мінпаливенерго України: “Розробити і впровадити удосконалений комплект програм цифрової обробки даних шахтної сейсморозвідки на ЕОМ” (№ ДР 01890003042); “Розробити і впровадити технологію сейсмоакустичної локації дрібноамплітудних порушень вугільних пластів попереду вибою підготовчої виробки” (№ ДР ); “Створити удосконалену шахтну сейсморозвідувальну станцію ШСС-1М “Дружба” (№ ДР ); “Вивчити можливість вибору оптимальних критеріїв прогнозу тектонічних порушень на основі моделювання повного поля пружних коливань” (№ ДР ); “Розробка й впровадження керівного нормативного документа “Геологічні роботи на вуглевидобувних підприємствах України. Інструкція.” (№ ДР 0198U003967); “Проведення геофізичних дослідно-методичних робіт на шахтних полях з метою прогнозу тектонічних порушень вугільних пластів” (№ ДР U003963); “Проведення дослідно-методичних сейсморозвідувальних робіт на шахтних полях з метою прогнозу тектонічної порушеності вугільних пластів” (№ ДР 0199U002177).
Мета роботи – розробка теоретичних і методологічних основ застосування сейсмічного методу в складних гірничо-геологічних умовах вугленосних формацій України та їх практична реалізація в методиках прогнозу геологічних порушень вугільних пластів.
Ідея роботи полягає у використанні сучасних кінцево-різницевих методів математичного моделювання для встановлення основних закономірностей процесів формування й розповсюдження сейсмічних коливань у непорушеній та порушеній вугленосній товщі для розробки критеріїв прогнозу геологічних порушень вугільних пластів.
Задачі досліджень. Для досягнення цілі сформульовано такі задачі:
- науково обгрунтувати галузь застосування, основні задачі і технічні характеристики методів шахтної сейсморозвідки геологічних порушень вугільних пластів для умов експлуатації вугільних басейнів України;
- провести теоретичний аналіз процесу формування та розповсюдження сейсмічних коливань у вугільних пластах вугленосних формацій України, адаптувавши для цієї мети кінцево-різницевий метод математичного моделювання процесів розповсюдження сейсмічних хвиль та реалізувавши його у програмному комплексі, який пристосований для вирішення практичних задач шахтної сейсморозвідки малопотужних пластів;
- установити основні закономірності взаємодії сейсмічних коливань з геологічними порушеннями вуглепородного масиву і характер змінення кінематичних, динамічних і спектральних параметрів хвильових пакетів різної природи та розробити системи прогнозних критеріїв;
- удосконалити і практично реалізувати методи шахтної сейсморозвідки на основі використання інформативних характеристик повного набору пакетів, що складають хвильове поле;
- розробити й удосконалити методику цифрової обробки та інтерпретації матеріалів шахтної сейсморозвідки;
- оцінити економічну ефективність і надійність застосування розроблених методів шахтної сейсморозвідки на вуглевидобувних підприємствах.
Об'єкт досліджень - хвильові процеси у вуглевміщуючій товщі з геологічними порушеннями вугільних пластів вугленосних формацій України.
Предмет досліджень - методи шахтної сейсморозвідки для прогнозу гірничо-геологічних умов відпрацювання вугільних пластів.
Методи досліджень. У роботі використано комплексний підхід, який включає аналіз та узагальнення відомих положень по даній проблемі, теоретичні дослідження, що базуються на методах математичного моделювання, експериментальні дослідження в лабораторних та шахтних умовах з використанням промислових зрізків апаратури, комп’ютерну обробку, аналіз та інтерпретацію даних сейсморозвідки з допомогою розроблених програмних комплексів.
Основні наукові положення, які виносяться на захист:
1. При використанні сейсмічного методу на пластах вугілля потужністю від 0,5 до 1,5 м з показниками різкості акустичних границь і від 0,4 до 0,8 (для різних ступенів метаморфізму), характерних для басейнів України, домінують пакети бічних хвиль, що несуть інформацію як про будову пласта, так і про породи, що їх вміщюють.
2. На пластах вугілля потужністю від 1,0 до 2,0 м бічні хвилі зрушення в результаті інтерференції утворюють додаткові хвильові пакети з частотами в діапазоні від 250 до 350 Гц і швидкостями Vs породи > V > Vs вугілля , що мають достатню для реєстрації амплітуду і можуть бути використані як інструмент шахтної сейсморозвідки.
3. Для вугленосних формацій України каналові хвилі з амплітудою, достатньою для надійної реєстрації і використання на практиці, формуються тільки у випадках, коли потужність пласта перевищує 1,5 м (5 % шахтопластів).
4. Розроблені критерії виявлення й оцінки технологічних параметрів дизюнктивних і плікативних тектонічних порушень вуглепородного масиву, що базуються на комплексному використанні амплітудних, швидкісних і частотних характеристик хвильових пакетів, а також з урахуванням змінення загальної структури сигналу, можуть бути використані для прогнозу порушень цих типів з надійністю до 80 %.
5. Розроблені метод сейсмічної локації попереду вибою та системи шахтних спостережень дозволяють виявляти тектонічні порушення вугільних пластів перед фронтом очисних робіт в міру його посування на глибину до 60 м з надійністю прогнозу 80 - 85 %.
6. Комплексне використання методів сейсмічного просвічування, відбитих хвиль і локації попереду вибою, що базується на аналізі загальної структури хвильового поля, котре реєструється, і характеристик повного набору складових його хвильових пакетів дозволяє досягти надійності прогнозу геологічних порушень вугільних пластів не менш як 80 %.
Наукова новизна одержаних результатів. Уперше розроблено теоретичні та методологічні основи застосування шахтної сейсморозвідки в складних гірничо-геологічних умовах вугільних басейнів України на базі використання сучасних кінцево-різницевих методів математичного моделювання процесу розповсюдження сейсмічних коливань у непорушеній та порушеній вугільних товщах та удосконалення методів шахтної сейсморозвідки, що дозволяє здійснити прогноз геологічних порушень вугільних пластів з високим ступенем надійності та ефективності. При цьому:
- вперше обгрунтовано галузь застосування та основні задачі методів шахтної сейсморозвідки геологічних порушень вугільних пластів, які враховують конкретні умови експлуатації вугільних басейнів України, що дозволило розвити методологічні основи застосування сейсмічного методу;
- вперше теоретично обгрунтовано домінування бічних хвиль у хвильових полях, які спостерігаються в умовах вугленосних формацій України, що дозволило їх ефективно використовувати як основний “інструмент” шахтної сейсморозвідки;
- на основі використання конкретних значень пружних параметрів вугілля і вміщуючих порід та змінень їхніх характеристик залежно від стадії метаморфізму й епігенезу вперше теоретично обгрунтовано структури реєстрованих сигналів і параметри складаючих їх хвильових пакетів для характерних гірничо-геологічних умов вугленосних формацій України, що дозволило удосконалити існуючі і розробити нові методики шахтної сейсморозвідки;
- встановлено експериментально й підтверджено теоретичними розрахунками залежності структури сейсмічного сигналу і параметрів хвильових пакетів, складаючих його прохідну і відбиту частини, що дає можливість розробки сучасних систем критеріїв прогнозу;
- розроблено критерії виявлення й оцінки технологічних параметрів геологічних порушень вуглепородного масиву (диз’юнктивних і плікативних тектонічних порушень, розмивів), котрі відрізняються від раніше розроблених комплексним використанням кінематичних, динамічних і спектральних параметрів хвильових пакетів різного походження й забезпечують високий ступінь ефективності прогнозу гірничо-геологічних умов відпрацювання вугільних пластів;
- розроблено й практично реалізовано метод сейсмічної локації попереду вибою та системи шахтних спостережень, які дозволяють виявляти геологічні порушення вугільних пластів попереду фронту очисних робіт в міру його посування на глибину до 60 м з надійністю прогнозу 80 – 85 %;
- розроблено й впроваджено у практику гірничих робіт схеми комплексного використання методів сейсмічного просвічування, відбитих хвиль і локації попереду вибою, що дозволяє добитися надійності прогнозу геологічних порушень вугільних пластів не менш як 80 %;
- узагальнено методику цифрової обробки даних шахтної сейсморозвідки з використанням спеціалізованого пакета прикладних програм, що забезпечує високий ступінь ефективності проведення сейсморозвідувальних робіт.
Наукове значення роботи полягає у розвитку наукових основ сейсмічного методу прогнозу геологічних порушень малопотужних вугільних пластів на базі використання сучасних методів математичного моделювання.
Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:
- використанням багаторазово апробованого у світовій та вітчизняній практиці методу математичного моделювання;
- узгодженістю розроблених теоретичних положень із основами механіки суцільних середовищ і фізичними основами сейсмічного методу, а також із сучасними досягненнями вітчизняної і закордонної шахтної геофізики по прогнозуванню гірничо-геологічних умов відробки вугільних пластів;
- достатнім обсягом експериментальних досліджень, проведених за період 1988 - 2002 рр. на 140 дільницях 68 шахт у всіх вугільних басейнах України;
- задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних досліджень і підтвердженням одержуваних прогнозних даних результатами експериментальної перевірки (гірничими роботами) з досягненням надійності прогнозів не менше як 80 %.
Практичне значення одержаних результатів. Наукові положення і висновки дисертації використовуються при проведенні шахтних сейсморозвідувальних досліджень, обробці та інтерпретації одержаних даних для прогнозу гірничо-геологічних умов відробки вугільних пластів на шахтах вугільних басейнів України.
Результати досліджень впроваджені на 140 виїмкових дільницях 68 шахт. Наприклад, підтверджений економічний ефект від впровадження результатів роботи у ДП “Артемвугілля” склав 760,0 тис.грн. Крім цього, одержані результати впроваджені шляхом включення складовою частиною у керівні нормативно-методичні документи:
1. Методические рекомендации по технологии шахтной сейсморазведки разрывных нарушений угольных пластов с использованием цифровых суммирующих сейсмостанций типа ШСС: РД: Утв. ВГО “Союзуглегеология” 20.04.91. - Донецк: УкрНИМИ, 1991. – 150 с.;
2. Методика шахтной сейсморазведки дизъюнктивных и морфологических нарушений угольных пластов с вышележащих горизонтов и соседних пластов: КД 12.00159226.007-94: Утв. Минуглепромом Украины 19.05.95. - Донецк: УкрНИМИ, 1995. – 17 с.;
3. Методика прогноза геологических нарушений геофизическими методами при ведении горных выработок на выбросоопасных угольных пластах: КД 12.00159226.011-94: Утв. Минуглепромом Украины 30.06.95. - Донецк: УкрНИМИ, 1995. – 29 с.;
4. Геологические работы на угледобывающих предприятиях Украины. Инструкция: РД 12.06.204-99: Утв. Минтопэнерго Украины 12.12.99. - К.: Алан, 2001. – 384 с.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано ціль, ідею та задачі досліджень; обгрунтовано галузь застосування й основні задачі шахтної сейсморозвідки для умов вугільних басейнів України; адаптовано кінцево-різницевий метод математичного моделювання, проведено аналіз процесу формування й розповсюдження сейсмічних коливань в малопотужних пластах, виявлено закономірності взаємодії сейсмічних коливань з геологічними порушеннями вуглепородного масиву й характер змінення кінематичних, динамічних та спектральних параметрів хвильових пакетів різного походження для прохідних і відбитих хвиль; узагальнено й практично реалізовано методи шахтної сейсморозвідки, що базуються на використанні всієї сукупності хвильових пакетів, які складають поле сейсмічних коливань; удосконалено методи цифрової обробки матеріалів шахтної сейсморозвідки та інтерпретації результатів геофізичних досліджень; оцінена ефективність практичного застосування розроблених методик шахтної сейсморозвідки на вуглевидобувних підприємствах. За безпосередньою участю автора проведено сейсморозвідувальні дослідження на 140 дільницях 68 шахт 17 виробничих об’єднань (холдингів) по видобуванню вугілля, виконано обробку та інтерпретацію одержаних матеріалів і розроблено практичні прогнозні висновки для відповідних шахт.
Апробація результатів роботи. Основні результати роботи було повідомлено й обговорено на науково-технічному семінарі “Гірнича геофізика” (Телаві, 1989), XII Робочому засіданні маркшейдерської комісії 1 ISM (Донецьк, 1992), VI Міжнародному семінарі “Гірнича геофізика” (Пермь, 1993), Міжнародній конференції “Гірнича геофізика” (Санкт-Петербург, 1998), II Міжнародній конференції “Проблеми та перспективи використання геоінформаційних технологій у гірничій справі” (Дніпропетровськ, 2000), 8-й Маркшейдерській конференції з міжнародною участю (Болгарія, Сонячний берег, 2001), 8-й щорічній конференції Міжнародної асоціації математичної геології (Берлін, 2002).
Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 227 найменувань. Робота містить 357 с., з них 219 основного тексту, ілюстрованого 123 малюнками з приведенням 21 таблиці та 2 додатків.
Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 47 друкованих роботах, з яких 1 – монографія.
Велику допомогу й сприяння у проведенні досліджень надали співробітники УкрНДМІ, яким автор складає глибоку подяку.
Особливу подяку автор висловлює науковому консультанту д-ру геол.-мінер. наук професору члену-кореспонденту НАН України М.Я. Азарову.
ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ
У першому роздiлi “Аналiз теоретичних та експеритентальних основ використання шактної сейсморозвiдки” розглянуто теоретичнi основи застосування методiв шахтної сейсморозвiдки. Проаналiзовано основнi типи пружних коливань, що виникають у вугленоснiй товщi та є “iнструментом” сейсморозвiдки взагалi й шахтної сейсморозвiдки зокрема. Дано аналiз найбiльш вiдомих й ефективних методiв математичного моделювання процесу розповсюдження сейсмiчних коливань у вугленоснiй товщi. Виявлено основнi досягнення у данiй галузi, позитивнi й негативнi сторони рiзноманiтних аналiтичних i чисельних методiв. Основну увагу придiлено кiнцево-рiзницевому методу, котрий може бути успiшно застосований для вирiшення задач сейсморозвiдки, оскiльки на единiй математичнiй базi можливо реалiзувати моделювання практично будь-яких типiв геологiчних порушень вугiльних пластiв. Основна проблема полягає в тому, що достатньою мiрою не розробленi теоретичнi та методологiчнi основи його peaлiзaцiї для вирiшення практичних задач. У цьому ж роздiлi дано стислий огляд вивченостi вугленосних формацiй України i показано, що дотепер не обгрунтовано галузь застосування та основнi задачi шахтної сейсморозвiдки для умов вугiльних басейнiв України, не визначено вимоги щодо розподiльної здатностi її методiв при прогнозi певних типiв i параметрiв геологiчних порушень вугiльних пластiв.
Огляд й аналiз дослiджень у галузi прогнозування умов вiдробки вугiльних пластiв дозволили зробити такi узагальнюючi висновки: нинi розробленi, обгрунтованi, апробованi й впровадженi у практику теорiя й методологiя застосування сейсмiчного методу прогнозу умов вiдробки вугiльних пластiв на основi використання каналовик хвиль. На основi теоретичних й експериментальних дослiджень особливостей процесу розповсюдження сейсмiчних коливань одержано iнформативнi критерiї виявлення ряду типiв порушень вугiльних пластiв для рiзних вугiльних басейнiв. Застосування сейсмiчного методу дає найкращi результати в умовах басейнiв, що включають прийнятнi для формування каналових хвиль потужнi вугiльнi пласти. У той же час вiдзначено ряд моментiв, якi занадто ускладнюють застосування шахтної сейсморозвiдки для прогнозу геологiчних порушень вугiльник басейнiв України:
-розробленi теоретична й методологiчна бази використання шактної сейсморозвiдки досить обгрунтованi тiльки для каналових хвиль як основного “iнструмента” сейсморозвiдки;
- для вугiльник басейнiв, що вiдрiзняються складними гiрничо-геологiчними умовами та особливостями будови гiрського масиву, несприятливими для формування каналових хвиль (зокрема для Донбасу i Львiвсько-Волинського басейнiв), не розроблена методологiя застосування хвиль iнших типiв для вирiшення задач прогнозу порушень;
- планомiрнi дослiдження проводились для аналiзу основник характеристик тiльки каналових хвиль;
- практично не вирiшувалось питання про взаємодiю рiзних типiв хвиль при формуваннi результуючого сигналу.
У другому роздiлi “Гiрничо-геологiчнi умови та обrрунтування використання методiв шахтної сейсморозвiдки” проаналiзовано гiрничо-геолоriчнi умови експлуатацiї вугiльних басейнiв України, закономiрностi формування фiзичних властивостей вуглевмiщуючих порiд i вугiлля та ix змiни пiд впливом епiгенезу та метаморфiзму, проведено сейсмогеологiчний аналiз вугленосних формацiй. В результатi були одержанi такi висновки:
1. Задачi шахтних сейсморозвiдувальних прогнозних дослiджень визначаються масштабами розповсюдження у вугленосних товщах рiзноманiтних типiв геологiчних порушень, їx впливом на ефективнiсть та безпеку ведення гiрничих робiт i можливiстю їх переходимостi механiзованими комплексами, що, в свою чергу обrрунтовує вимоги щодо необхiдної розподiльної здатностi сейсморозвiдувальних методiв, якi можна застосувати у вугiльниї басейнах України.
2. Змiни фiзичних властивостей порiд в зонах геологiчних порушень необхiдно розглядати як локальнi, накладенi на епiгенетичнi, що створюють аномальнi ефекти в геофiзичних полях. Їх спричиняють два основних чинника, що характеризують цi порушення: пiдвищена трiщинуватiсть гiрських порiд, тобто змiна найважливiшого генетичного фактора, що зумовлює формування фiзичних властивостей, - структурно-текстурного; змiна лiтологiчного типу порiд у пластi, що випливає з самої сутностi геологiчних порушень вугiльного пласта, внаслiдок яких обов'язкова змiна у рядi вугiлля - порода.
3. Побудовано узагальненi сейсмогеологiчнi моделi розрiзiв вугiльних пластiв Донбасу та основних типiв їxнix геологiчних порушень.
4. Розробка теоретичних основ та методологiї шахтних сейсморозвiдувальних дослiджень має базуватися на конкретних, типових для вугiльних басейнiв України, гiрничо-геологiчних i фiзичних характеристиках вугленосних товщ.
Третiй роздiл “Кiнцево-рiзницевий пiдхiд до математичного моделювання процесу розповсюдження сейсмiчних хвиль у вугленоснiй товщi” присв'ячений розробцi методу математичного моделювання процесу розповсюдження сейсмiчних коливань у вугленоснiй товщi та його реалiзацiї у програмному забезпеченнi. Розповсюдження сейсмiчних коливань у твердому середовищi описується вiдомою системою рiвнянь Ламе, котра у декартовiй системi координат записується для Р та SV хвиль у виглядi
,
а для SH хвиль:
,
де через u, v, w позначено компоненти вектора перемiщень. У результатi дослiджень ця система рiвнянь приведена до кiнцево-рiзницевого вигляду, адаптованого для вирiшення поставленої задачi:
де т та п - iндекси, що визначають положення вузла й приймають значення т = 1...М, п = 1 ... N; р - номер кроку у часi. У цьому виразi використовуються значення коефiцiєнтiв у додаткових вузлах, розташованих на пiвкроцi у вiдповiдний бiк вiд центрального. Коефiцiєнти цих спiввiдношень обчислюються за такими формулами:
;
;
;
;
;
;
;
;
де Дt - крок за часом; Дh - просторовий крок розрахункової решiтки. Розроблена схема враховує симетрiю задачi, що розглядається, вимоги до точностi та стiйкостi вирiшення i, дозволяє значно бiльш адекватно описувати дослiджуванi процеси, нiж ранiше запропонованi пiдходи. Пiдход задовольняє вимогам щодо частотного дiапазону поля пружних коливань, що моделюється, усуває проблеми, пов'язанi з обмеженими розмiрами рахункової решiтки, з рiзноманiтними механiзмами формування рiзних типiв похибки.
Розроблену схему реалiзовано в програмному забезпеченнi, що дозволяє моделювати процеси розповсюдження сейсмiчних коливань у вуглевмiщуючiй товщi у всьому реально застосовуваному на практицi дiапазонi частот, для будь-яких баз спостережень та для будь-яких параметрiв порушень. В наступних двох роздiлах викладено результати теоретичних дослiджень, що базуються на використаннi програмного забезпечення.
У четвертому роздiлi “Аналiз процесiв формування вугленосною товщею хвильового поля в задачах шахтної сейсморозвiдки” описано встановленi залежностi структури сейсмiчних сигналiв, що реєструються, i параметрiв хвильових пакетiв, що їx складають, вiд характеристик вугiлля i вмiщуючих порiд в умовах, характерних для вугiльних басейнiв України.
На основi використання розробленого програмного забезпечення, що дозволяє моделювати процеси розповсюдження сейсмiчних коливань у вуглевмiщуючiй товщi було проаналiзовано механiзми формування хвильових полiв з урахуванням обмiну енергiєю мiж коливальними пакетами рiзноманiтної природи. Показано, що в цих умовак для малопотужних пластiв вугiлля будь-яких марок незастосовнi результати планомiрних дослiджень, проведених ранiше у СРСР та за кордоном. Були проведенi теоретичнi розрахунки хвильових полiв для типових вугiльних пластiв та вмiщуючих порiд основних ступенiв метаморфiзму. При цьому були отриманi узагальненi структури сейсмiчних сигналiв та їx частотнi характеристики. Вони наведенi в табл. 1 - 3.
Основнi висновки такi:
- фiзико-механiчнi параметри вугiлля й вмiщуючих порiд для будь-яких стадiй метаморфiзму й епiгенезу такi, що створюються передумови для каналювання коливальної eнepriї та формування не тiльки каналової хвилi, але й хвильових пакетiв iншої природи, що несуть iнформацiю про будову пласта й мають достатню для стiйкої реєстрацiї i подальшого аналiзу амплiтуду;
- сейсмiчнi сигнали для Х та Z компонент, що реєструються на вугiльних пластах, складаються iз домiнуючих бiчних хвиль стиску й зсуву, пакетiв, що створюються бiчними хвилями зсуву внаслiдок резонансу на вугiльному пластi (“головних” хвиль), рiдше - каналових хвиль;
- - сейсмiчнi сигнали для У компоненти, що реєструються на вугiльних пластах, складаються з бiчник хвиль зсуву та каналових квиль;
- домiнуючу роль у сейсмiчних полях мають не каналовi хвилi, а бiчнi хвилi стиску й зсуву, що потребує розробки нових методiв шахтної сейсморозвiдки;
- бiчнi хвилi стиску утворюють пакети з частотою до 100 Гц, тодi як хвилi зсуву - до 300 Гц;
- хвилi Лява мають порiвняно бiльшу амплiтуду, нiж будь-яка з компонент хвиль Релея, що має бути враховано пiд час проведення практичних дослiджень;
- зi зменшенням рiзкостi акустичних меж внесок бiчник хвиль зсуву у сигналi, що реєструється, зменшується, в той час як внесок бiчних хвиль стиску, а також внески рiзноманiтних типiв каналовик хвиль збiльщуються;
- каналовi хвилi з достатньою для практичного використання амплiтудою можуть бути сформованi тiльки у вiдносно потужних (бiльше нiж 1,5 м) пластах та в умовах, коли формується ефективний хвилевiд, що мiстить в себе пласт та прилеглi породи;
- бiчнi хвилi зсуву можуть через свої частотнi та швидкiснi характеристики викликати у вугiльному пластi вториннi коливання, котрi, резонуючи на певних частотах, iнтерферують i видозмiнюються, набуваючи риси, карактернi для каналових квиль, i формуючи додатковi хвильовi пакети;
- малопотужнi вугiльнi пласти створюють умови для прояву та iнтерфеpeнцiї бiчних хвиль рiзної кратностi, здатних переносити iнформацiю не тiльки про вмiщуючi породи, але й про будову вугiльного пласта;
- джерелом появи кратних бiчних квиль можуть бути як бiчнi квилi будь-якої поляризацiї, так i каналовi хвилi;
- характеристики цугiв, що утворюються бiчними хвилями рiзної кратностi, будуть подiбнi характеристикам тих пакетiв коливань, якi вiдiграли домiнуючу роль у процесi їx формування;
- роздiлити хвильовi пакети бiчних хвиль, що розповсюджуються по пiдошвi чи то покрiвлi вугiльного пласта, у сигналi, що реєструється, у загальному випадку неможливо;
Таблиця 1
Залежнiсть структури реєстрованого сейсмiчного сигналу вiд параметрiв вугiлля i вмiщуючих порiд
Мар-
ка
вугiл
ля | Вмiщуючі
породи | Амплiтуда пакетiв Х компоненти
(в % вiд максимальної) | Амплiтуда пакетiв У компоненти
(в °/о вiд максимальної) | Амплiтуда пакетiв Z компоненти
(в °/о вiд максимальної)
бiчна
хвиля
стиску | бiчна
хвиля
зсуву | “головна” хвиля | каналова хвиля | бiчна
хвиля
зсуву | “головна” хвиля | каналова хвиля | бiчна хвиля стиску | бiчна хвиля зсуву | “головна” хвиля | каналова хвиля
Б | Пiсковик | 100 | 20 | не спост. | 5 | 100 | не спост. | 20 | 25 | 100 | не спост. | 60
Алевролiт | 100 | 30 | не спост. | 5 | 100 | не спост. | 20 | 20 | 100 | не спост. | 60
Apгiлiт | 100 | 50 | не спост. | 5 | 100 | не спост. | 20 | 15 | 100 | не спост. | 60
Д | Пiсковик | 100 | 30 | не спост. | менше 5 | 100 | 25 | 10 | 25 | 100 | 30 | 30
Алевролiт | 100 | 30 | не спост. | менше 5 | 100 | 25 | 10 | 25 | 100 | 50 | 50
Аргiлiт | 100 | 30 | не епост. | менше 5 | 100 | 25 | 10 | 25 | 100 | 50 | 50
Г,
Ж | Пiсковик | 10 | 100 | 30 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | 5 | 100 | 80 | 20
Алевроліт | 15 | 100 | 40 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | 5 - 10 | 100 | 100 | 25
Apгiлiт | 75 | 100 | 50 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | 10 | 80 | 100 | 30
К,
ОС,
Т | Пiсковик | 5 | 100 | 30 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | менше 1 | 100 | 60 | 20
Алевролiт | 10 - 15 | 100 | 50 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | 1 - 3 | 75 | 100 | 25
Apгiлiт | 50 - 60 | 75 | 100 | менше 5 | 100 | не спост. | 20 | 5 | 30 | 100 | 30
А | Пiсковик | 40 | 100 | 100 | 10 | 100 | 25 | 10 | 5 | 100 | 25 | 30
Алевролiт | 100 | 80 | 40 | менше 5 | 100 | 25 | 10 | 10 | 100 | 50 | 50
Аргiлiт | 100 | 50 | не спост. | менше 5 | 100 | 25 | 10 | 10 | 100 | 50 | 50
Примiтка. Заливкою помiчено випадки, коли хвильовi пакети вiзуально не роздiльнi.
Таблиця 2
Залежнiсть частот пакетiв Х та Z компонент сейсмiчного сигналу вiд параметрiв вугiлля i вмiщуючих порiд
Марка
вугiлля | Вмiщуючi
породи | Розташування максимуму частотної
характеристики пакетiв Х компоненти (Гц) |
Розташування максимуму частотної
характеристики пакетiв Z компоненти (Гц)
бiчна хвиля
стиску | бiчна хвиля
зсуву | “головна”
хвиля | каналова
хвиля | бiчна хвиля
стиску | бiчна хвиля
зсуву | “головна”
хвиля | каналова
хвиля
Б | Пiсковик | 45 | 190 | не спост. | 550 | 70 | 200 | не спост. | 580
Алевролiт | 45 | 200 | не спост. | 550 | 60 | 200 | не спост. | 580
Аргiлiт | 45 | 190 | не спост. | 550 | 65 | 200 | не спост. | 580
Д | Пiсковик | 50 | 200 | не спост. | 550 | 70 | 210 | 300 | 530; 715
Алевролiт | 50 | 200 | неспост. | 550 | 70 | 200 | 300 | 510
Аргiлiт | 50 | 200 | не спост. | 550 | 65 | 210 | 300 | 510
Г,
Ж | Пiсковик | 70 | 150 | 260 | 490 | 65 | 200 | 310 | 500
Алевролiт | 70 | 150 | 250 | 500 | 65 | 200 | 300 | 500
Аргiлiт | 60 | 150 | 250 | 500 | 100 | 220 | 300 | 500
К,
ОС,
Т | Пiсковик | 60 | 140 | 240 | 490 | 90 | 210 | 300 | 500
Алевролiт | 60 | 140 | 290 | 500 | 90 | 200 | 300 | 500
Apгiлiт | 50 | 130 | 340 | 480 | 50 | 190 | 320 | 460
А | Пiсковик | 80 | 210 | 320 | 540; 720 | 65 | 180 | 280 | 560; 750
Алевролiт | 70 | 210 | 300 | 650 | 65 | 190 | 270 | 720
Apгiлiт | 65 | 180 | не спост.
. | 550 | 65 | 210 | 300 | 550
Примiтка. Значення наведенi для максимумiв частотної характеристики кожного iз пакетiв.
Таблиця 3
Залежнiсть частот пакетiв У компоненти сейсмiчного сигналу
вiд параметрiв вугiлля i вмiщуючих порiд
Марка
вугiлля | Вмiщуючi
породи | Розташування максимуму частотної
характеристики пакетiв (Гц)
бiчна хвиля зсуву | “головна” хвиля | каналова хвиля
Б | Пiсковик | 220 | не спостерiг. | 480
Алевролiт | 225 | не спостерiг. | 490
Аргiлiт | 230 | не спостерiг. | 490
Д | Пiсковик | 175 | 360 | 480
Алевролiт | 175 | 340 | 490
Аргiлiт | 175 | 350 | 490
Г,
Ж | Пiсковик | 110 | не спостерiг. | 440
Алевролiт | 110 | не спостерiг. | 450
Аргiлiт | 110 | не спостерiг. | 450
К,
ОС,
Т | Пiсковик | 115 | не епостерiг. | 470
Алевролiт | 115 | не спостерiг. | 460
Аргiлiт | 115 | не спостерiг. | 470
А | Пiсковик | 175 | 340 | 500
Алевролiт | 175 | 345 | 500
Аргiлiт | 175 | 340 | 500
- пiдвищення рiзкостi акустичних меж незалежно вiд потужностi пласта приводить до пiдсилення концентрацiї Х та У компонент коливань у його центрi, а Z компоненти, в породах (у прикордоннiй до пласта областi), - до подовження пакетiв каналових хвиль, за рахунок посилення прояву дисперciї, збiльшення видимої частоти сигналу, що реєструється, за рахунок послаблення внеску низькочастотних складових, змiщення максимумiв обвiдної пакетiв каналових хвиль у хвостову частину пакета за рахунок вiдносного зростання внеску високочастотних коливань, збiльшення рiзницi приходу пакетiв бiчної i каналової хвиль, вiдповiдно до величини рiзницi мiж швидкостями зсувних хвиль у вугiллi i породах та зниженню вiдносного внеску пакетiв бiчних квиль.
П'ятий роздiл “Взаємодiя сейсмiчного хвильового поля з порушеннями вугiльних пластiв” присвячений аналiзу процесу розповсюдження сейсмiчник коливань у вугiльних пластах з карактерними для вугiльних басейнiв України геологiчними порушеннями i виявленню основник закономiрностей формування вiдбитої i прохiдної частин сигналiв, що реєструються, залежно вiд параметрiв аномалiй. Аналiз був проведений на основi результатiв теоретичних розрахункiв, якi здiйснювались за допомогою програмного забезпечення, яке описано в другому роздiлi, та на основi даник реальник спостережень.
Показано, що на процес формування хвильового поля в порушенiй вуглевмiщуючої товщi впливає цiлий набiр факторiв, якi можна видiлити у двi групи. Перша - це геометричнi характеристики порушення, друга - характер змiни фiзико-механiчних параметрiв вугiлля i порiд у зонi впливу порушення та її ширина. Далi зроблено ряд висновкiв, якi в цiлому визначають ступiнь застосовування сейсмiчного методу в тому чи iншому конкретному випадку:
- сейсмiчнi спостереження фiксують в цiлому результат сумарної змiни фiзико-механiчних та геометричних характеристик аномальної зони, не конкретизуючи характер впливу окремих факторiв, що роблять свiй внесок у цi зміни;
- ступiнь i характер впливу одних факторiв багато в чому залежить вiд впливу цiлого ряду iнших як окремо, так i в рiзних комбiнацiях, що через їx велику кiлькiсть, робить в умовах натурних спостережень їx детельний аналiз занадто тяжким;
- порушення, piзнi за характером, але такi, що призводять до схожих змiн фiзико-механiчник характеристик середовища, у загальному випадку не можуть бути достовiрно розпiзнанi.
Далi наведено аналiз процесу розповсюдження сейсмiчних коливань крiзь геологiчнi порушення вугiльних пластiв у характерних для басейнiв України (зокрема, для Донбасу) гiрничо-геологiчних умовах. За допомогою розробленого комплекса програм було проведено математичне моделювання цього процесу для розривних тектонiчних порушень, плiкативних порушень та утонень. Моделювались залежностi амплiтудних, швидкiсних та частотних характеристик хвильовик пакетiв прохiдної та вiдбитої частин хвильового поля вiд основних параметрiв порушень. Для розривних тектонiчник порушень такими параметрами були: амплiтуда порушення, ширина зони трiщинуватостi, ступiнь змiн в нiй фiзичних властивостей вугiлля й порiд, нахил площини змiщувача до площини залягання пласта. Для плiкативiв такими параметрами були радiус кривизни R i вiдстань Н вiд центру “окружностi” складки до пласта, а також спiввiдношення Н/R. Для утонення такими параметрами були ширина зони утонення та його амплiтуда.
За результатами дослiджень процесiв розповсюдження сейсмiчних хвиль в порушених вугiльних пластах розроблено критерiї виявлення й оцiнки технологiчних параметрiв геологiчних порушень вугiльних пластiв з використанням кiнематичних, динамiчних i спектральних характеристик хвильових пакетiв рiзної природи для прохiдних та вiдбитих хвиль (табл. 4 та 6). Критерії, якi наведено в табл. 4, iстотно удосконаленi в порiвняннi з тими, що були розробленi ранiше в iнститутi УкрНДМI. Вони базуються на комплексному використаннi амплiтудних, швидкiсних та частотних характеристик хвильовик пакетiв, а також на врахуваннi змiн загальної структури сигналу i можуть бути застосованi для прогнозу скидiв i надвигiв з надiйнiстю до 80 %. Вперше було проаналiзовано вплив характеристик площини змiщувача тектонiчних розривних порушень (в тому числi її двогранний кут з площиною вугiльного пласта, вплив зони дроблення порiд у безпосереднiй близькостi вiд нього) на параметри хвильового поля, що формується (табл. 5). В критерiях, якi наведено у табл. 6, варто звернути увагу на характерне розщеплення спектра сигнала, що реєструється, яке є важливим показником наявностi порушення цього типу.
Таблиця 4
Розрахунковi усередненi критерiї тектонiчних розривних порушень для умов України
Амплiтуда
порушень
(в потужн.
пл.) | Змiна амплiтуди пакетiв хвиль
(в % вiд значення для моделi
без порушень) | Зміни частоти (%) | Зміна групової швидкості (%) скид/надвиг | Пакети, повeязані з виходом в місці розриву суцільності пласта
подовжня
бокова | поперечна бокова | головна
каналова | каналова
0,5 | 10 | 5 | 25 | 50 | 5 | 10/5 | нi
1 | 20 | 10 | 40 | не спост. | 5 | 10/5 | нi
1,5 | 30 | 20 | 50 | неспост. | 5 | 10/5 | нi
2 | 45 | 35 | 60 | не спост. | 7 | 15/10 | є
3 | 50 | 35 | не спост. | не спост. | 10 | 15/10 | є
5,0 і бiльше | 50 | 35 | не спост. | не спост. | 10 | 15/10 | домiнують
Слiд вiдзначити, що застосовувана методика вперше дозволила у динамiцi дослiдити процеси розповсюдження сейсмiчник коливань через утонення пласта внаслiдок його розмиву, урахувати вплив їxнix харакгеристик на параметри хвильового поля, що формується (табл. 7). Особливий iнтерес викликає поведiнка амплiтуди Z компоненти. Максимум eнepгiї коливань компонен-
Таблиця 5
Розрахункова залежнiсть амплiтуди вiдбитих коливань вiд кута нахилу змiщувача розривного тектонiчного
