НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ГОНЧАРЕНКО В’ячеслав Олександрович

УДК [550.8.07/ 08:622.831.322.001.18:681.3.06](043.5)

ПЕТРОФІЗИЧНІ ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОГНОЗУВАННЯ

ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНОСТІ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ

05.15.11

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ДНІПРОПЕТРОВСЬК - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки

Національної Академії наук України (ІГТМ НАН України).

Науковий консультант – доктор геолого-мінералогічних наук, с.н.с.

ЛУКІНОВ В. В., ІГТМ НАН України,

заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. МаЄвський В. С.,

Відділення фізико-технічних проблем

Донецького ФТІ ім. О.О. Галкіна, завідувач відділу

прогнозу та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах;

доктор технічних наук, с.н.с. КОЛЕСНІКОВ В. Г.,

ІГТМ НАН України, завідувач відділу

гірничої аерогазодинаміки;

доктор геолого-мінералогічних наук ВОЄВОДА Б. І.,

Донецький державний технічний університет,

професор кафедри корисних копалин і екологічної геології.

Провідна організація – Національна гірнича академія України,

кафедра будівництва шахт та підземних споруд,

Міністерство освіти України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 17 " листопада 2000р. о 13 год. 30 хв.

на засіданні спеціалізованої ради Д 08.188.01

при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою:

49095, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці IГТМ НАН України

за адресою: 49095, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий " 5 " жовтня 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук ПЕРЕПЕЛИЦЯ В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз стану світової енергетики показує, що вугілля є найбільш стабільною сировиною і його роль в енергоспоживанні постійно зростає. В Україні значні запаси енергетичного і коксівного вугілля знаходяться у Донбасі на глибоких горизонтах, де зосереджені 90% гірничих робіт, але перспектива його видобутку ускладнюється в значній мірі специфічними гірничо-геологічними умовами. Найбільш небезпечні в цьому плані газодинамічні явища, серед яких по масовості виявів виділяються викиди вугілля і порід. Викиди, крім матеріальних втрат і технологічних ускладнень при веденні гірничих робіт, реально загрожують життю шахтарів.

Успіхи, досягнуті в розвитку гірничої науки і практики, дозволили розробити до початку 80-х років наукові основи теорії викидів і створити ряд нормативних документів, що регламентують способи прогнозу і запобігання раптовим викидам вугілля, породи і газу.

Істотний внесок в розвиток теоретичних та практичних аспектів проблеми викидонебезпечності зробили як вітчизняні вчені Ф.О.Абрамов, А.Д.Алексеєв, А.Т.Айруні, І.А.Бобров, А.І.Бобров, Л.Н.Биков, В.Ю.Забігайло, А.М.Зорін, Б.М.Іванов, В.Г.Колесніков, Г.С.Коньков, О.І.Кравцов, Г.Д.Лідін, В.В.Лукінов, В.С.Маєвський, С.П.Мінєєв, В.І.М’якенький, Я.Є.Некрасовський, В.І.Ніколін, А.Е.Петросян, І.М.Пєтухов, А.І.Печук, В.М.Потураєв, В.Н.Пузирьов, О.О.Скочинський, К.К.Софійський, Г.М.Фейт, О.І.Чернов, В.В.Ходот, С.А.Христянович, Г.А.Шевельов, І.Л.Еттінгер і ін., так і зарубіжні Ж.Белен, В.Бубнов, М.Жарліє, К.Кегель, О.Руфф та ін.

Дослідження викидів вугілля, порід і газу проводяться на основі комплексу властивостей гірничого масиву: напруженого стану, газоносності, тектоніки і т.п. Велике значення для вирішення задач, пов'язаних з прогнозом викидонебезпечності вугільних родовищ, мають роботи М.С.Анциферова, А.В.Артьомова, Б.І.Воєводи, М.П.Зборщика, В.С.Іванова, О.В.Колоколова, Ю.Н.Нагорного, А.Е.Ольховиченка, А.Я.Радзивілла, В.В.Рєпки, В.В. Соболєва, Є.І. Фоміних та ін.

Розроблена єдина енергетична теорія викидів не привела до створення принципово нових методів прогнозу викидонебезпечності, які продовжували базуватися на оцінці показників викидонебезпечності, що визначаються по пробах з свердловин та забоїв у шахтах. Зниження числа викидів вугілля, порід і газу, що спостерігається в Донбасі з 1992 по 1999 рік, визначається зменшенням вуглевидобутку і консервацією запасів на пластах з особливо ускладненими умовами розробки. Однак зниження питомої кількості викидів, віднесених до обсягу видобутого вугілля, не відбувається і, отже, викидонебез-печність вугільних пластів в процесі гірничих робіт загалом не меншає. Це пояснюється передусім недосконалістю різних видів прогнозів викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід і надто низькою технологічністю їх виконання, що базуються на досить великих обсягах випробовування і відповідно трудомістких лабораторних визначеннях показників викидонебезпечності. Негативно впливає на якість прогнозу роз’єднаність всіх видів його, починаючи від стадії розвідки шахтного поля до експлуатації шахти.

У той же час на дільницях розвідки і діючих шахтних полях є велика кількість свердловин з геофізичними параметрами стандартного каротажу (електричний опір, природна і наведена радіоактивність, швидкість поздовжніх хвиль і інш.), записаними безперервно в аналоговій або цифровій формі по всьому розрізу вугленосної товщі, які відображають відповідні фізичні поля вугільних пластів в гірському масиві. Відсутність інформації про петрофізичні взаємозв'язки між показниками або критеріями викидонебезпечності вугільних пластів з геофізичними параметрами не дозволяє використати для прогнозу викидонебезпечності дані каротажу.

Тому підвищення надійності і інформативності прогнозу викидонебез-печності вугільних пластів шляхом створення петрофізичних основ технології прогнозування, є актуальною прикладною проблемою, що має важливе народногосподарське, соціальне і галузеве значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація узагальнює результати науково-дослідних робіт, виконаних за безпосередньою участю і під керівництвом автора в Інституті геотехнічної механіки НАН України у відповідності з цільовими комплексними програмами ДКНТ і Академій наук СРСР і УРСР (проблема 0.05.05. "Создать способы и технические средства для разработки выбросоопасных угольных пластов, методы прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа" –№№ державної реєстрації НДР: 01829057373, 01840075035, 01860121522), а потім України і галузевими планами НДР Мінвуглепромів СРСР і УРСР, а також з планами НДР Міністерства вугільної промисловості України і Державного комітету геології і використання надр України (№№ державної реєстрації НДР: 0193U029801, 0195U006672, 0197U006861, 0295U002688).

Ідея роботи полягає у використанні петрофізичних взаємозв'язків основних показників викидонебезпечності вугільних пластів і їх геофізичних параметрів, виміряних у вуглерозвідувальних свердловинах, і розробці на цій основі комплексного автоматизованого прогнозу викидонебезпечного стану вуглепородного масиву шахт за геофізичними даними в режимі відкритого моніторингу.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є створення петрофізичних основ технології комплексного прогнозування викидонебез-печноті вугільних пластів.

Для досягнення зазначеної мети вирішувалися наступні задачі:

1. Дослідити фізичними методами (оптичний, електронно-оптичний, рентгеноструктурний, електронно-парамагнітний резонанс) на мікро- і макрорівнях як показники викидонебезпечності вугільних пластів структурні особливості, сорбційну метаноємкість, органічну і мінеральну складові вугілля з проб (маса до 5г), що відбираються при каротажі свердловин бойками.

2. Вивчити петрофізичні взаємозв'язки основних показників викидоне-безпечності вугільних пластів, що відображають їх речовинний склад, струк-турні особливості, газонасиченість, напружений стан, і геофізичних параметрів (електричний опір, радіоактивність, швидкість поздовжніх хвиль і т.п.), виміряних у процесі каротажу цих пластів в свердловинах.

3. Розробити ймовірнісно-статистичну модель для надійної оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів за геофізичними параметрами у конкретних гірничо-геологічних умовах шахтного поля.

4. Розробити методологію автоматизації прогнозу викидонебезпечності і створити на основі числової геолого-геофізичної інформації необхідні алго-ритми і програми.

5. Розробити методику прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів за геофізичними даними і на цій основі створити технологію комплексного прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву, що дозволяє об'єднати в режимі моніторингу всі види прогнозів на стадіях розвідки, експлуатації і закриття шахти.

6. Виконати дослідно-промислову перевірку розробленої технології прогнозу викидонебезпечності в різних гірничо-геологічних умовах на дільницях розвідки і дорозвідки шахтних полів.

Об'єктом досліджень є викидонебезпечні вугільні пласти, які вивчалися на дільницях розвідки та дорозвідки шахтних полів і на діючих шахтах Донецького та Львівсько-Волинського басейнів в Україні, Печорського в Росії і Карагандинського в Казахстані.

Предметом досліджень є прогноз викидонебезпечності вугільних пластів.

Методи досліджень: лабораторні фізичні (оптичний, електронно-оптичний, рентгеноструктурний, електронно-парамагнітний резонанс) і свердловинні геофізичні відповідно для розробки показників і прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів; програмовані статистичні методи обробки і математичного моделювання для створення петрофізичної основи переходу до прогнозу викидонебезпечності за геофізичними параметрами; геоінформаційні технології для розрахунку і представлення викидонебезпечної ситуації, що прогнозується; системний аналіз отриманих результатів прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву.

Наукова новизна отриманих результатів

Наукові положення, які захищаються автором:

- структурні особливості, сорбційна метаноємкість, органічна і мінераль-на складові вугілля, що визначаються на мікронаважках за бойковими каротаж-ними пробами, характеризують локальну за площею і пошарову вертикальну зональність викидонебезпечності вугільного пласта, при цьому зростання порушеності, потенційної сорбції і ступеня вуглефікації органічної складової підвищує, а наявність пластичних (глинистих) мінералів в золі знижує його викидонебезпечність;

- показники викидонебезпечності вугільних пластів, що характери-зуються їх речовинним складом, структурними особливостями, газонаси-ченістю, напруженим станом, та геофізичні параметри (електричний опір, природна і наведена радіоактивність, швидкість пружних хвиль, кавернозність), мають стійкі і однозначні парні петрофізичні взаємозв'язки, що зумовлює кількісне вирішення задач разрахунку окремих показників і комплексних критеріїв викидонебезпечності за допомогою геофізичних даних, шляхом математичного моделювання на основі застосування програмних засобів і обчислювальної техніки;

- петрофізичною основою прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів є регіональна і локальна мінливість геофізичних параметрів, при цьому електричний опір, наведена радіоактивність і кавернозність у викидонебез-печних зонах вугільних пластів збільшуються (за рахунок підвищення тріщи-нуватості, газоносності і зниження вологості), а природна радіоактивність меншає (за рахунок зниження вмісту глинистих мінералів у золі);

- фізико-механічна жорсткість і напружений стан вуглепородного масиву зумовлені його літолого-фаціальними особливостями і пов'язані із збіль-шенням відносного вмісту щільних кварцевих пісковиків з аномально міцніс-ними (?ст > 75МПа та ?р > 5МПа) і пружними (Ед > 30ГПа) властивостями, що сприяє зростанню локальної і регіональної викидонебезпечності вугільних пла-стів.

Наукова новизна:

1. Вперше встановлено, що тріщинуватість вугілля, яка визначається оптичним і електронно-оптичним методами на каротажних бойкових пробах, тісно корелюється на мікро- і макрорівнях (коефіцієнти кореляції більше 0,75) і є інформативним показником викидонебезпечного стану вугільних пластів.

2. Встановлена закономірність впливу потенційної сорбційної здатності вугілля, отриманої методом електронно-парамагнітного резонансу, на його викидонебезпечність, підтверджена залежністю значень сорбції ?епр із значеннями прогнозного критерію викидонебезпечності "Вв" (відповідно з інформацією про викидонебезпечність випробуваних шахтопластів), що дозволяє рекомендувати ?епр як прогностичний показник. Застосування інформативного параметра ?епр для оцінки "газового фактора" підвищить достовірність і надійність розрахунку комплексного критерію викидонебезпеч-ності вугільних пластів.

3. Методом рентгенографічного аналізу і ідентифікації мінеральних компонентів вперше встановлено, що мінеральні компоненти в безпечних за викидами шарах і пластах загалом більш витримані за своїм складом і представлені в основному глинистими мінералами (каолініт, монтморилоніт і т.п.), які відіграють роль пластифікаторів і саме цим знижують викидо-небезпечність пласта.

4. Вперше встановлені стійкі та однозначні петрофізичні залежності (коефіцієнти кореляції 0,4 – 0,7 при довірчому інтервалі надійності 0,9 – 0,95 і рівні значущості не менше 0,75) між геофізичними параметрами, виміряними в свердловинах, і показниками викидонебезпечності, визначеними за зразками з тих же свердловин.

5. Вперше встановлено, що електричний опір, наведена радіоактивність та кавернозність у викидонебезпечних зонах вугільних пластів збільшуються за рахунок підвищення порушеності (тріщинуватості), газоносності і зниження вологості, а природна радіоактивність меншає за рахунок зниження кількості глинистих мінералів в золі. Ці закономірності дозволили створити петрофі-зичну основу прогнозу викидонебезпечності, яка базується на багатомірній математичній моделі викидонебезпечності вугільних пластів.

6. Вперше встановлено, що всі параметри стандартного комплексу каро-тажу вуглерозвідувальних свердловин інформативні і використовуються для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів за допомогою розробленої математичної моделі у вигляді полінома другого степеня без змішаних членів, яка отримана ітераційним шляхом внаслідок застосування методів регресійного аналізу, реалізованих комп’ютерними програмами.

8. Вперше встановлено, що із збільшенням відносного вмісту щільних кварцевих пісковиків з аномально міцнісними (?ст > 75МПа та ?р > 5МПа) і пружними властивостями (Ед > 30ГПа) у вуглепородному масиві підвищуються його фізико-механічна жорсткість та напружений стан, які сприяють форму-ванню викидонебезпечного стану вугілля.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці комплексу методів оцінки викидонебезпечності і способів автоматизації, який дозволив створити основи технології прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів в масиві гірських порід шахтного поля на різних стадіях його освоєння аж до закриття. В основу цього комплексу покладені:

? експрес-метод прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів за масою вугілля з бойків, якими опробуються пласти в процесі геофізичних досліджень у свердловинах: при наявності вугілля з середньою масою у бойку на шахтному полі ы< 1,3г пласт відносять до викидонебезпечних, в інтервалі 1,3г ? ы = 2,0г до загрожуючих викидами та при ы > 2г до безпечних (авторське свідоцтво № 1219825, СРСР);

? методика визначення показників викидонебезпечності вугільних пластів за даними геофізичних досліджень свердловин на основі застосування багатофакторних моделей, пов'язуючих ці показники з комплексом геофі-зичних параметрів стандартного вугільного каротажу (відносна похибка не перевищує 30%);

? алгоритми і програми для вирішення задач прогнозу викидонебезпеч-ності за геофізичними даними і побудови основи розрізу з викидонебезпечною ситуацією;

? методика прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів за даними геофізичних досліджень свердловин на стадіях детальної розвідки геологічних дільниць, дорозвідки шахтних полів, будівництва і експлуатації шахт (відносна похибка визначення комплексного критерію викидонебезпечності "Вв" не більше 20% при надійності прогнозу викидонебезпечності не менше 85 %).

Проведений комплекс досліджень з розробки методів прогнозу викидо-небезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід (спільно з ІГД ім. О.О. Ско-чинського та ВО "Укрвуглегеологія"), їх промислові випробування в Донець-кому басейні дозволили впровадити в 1989р. "Временное руководство по прог-нозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассей-не", яке увійшло в "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (розд.2, п.2.1.2), М.: ІГД ім. О.О. Скочинського, 1989.

З урахуванням модернізованої системи автоматизації розроблене "Временное методическое руководство для прогнозирования выбросоопасности угольных пластов в Донецком бассейне на основе геолого-геофизических данных " (1992 р.), затверджене в установленому порядку на рівні галузі.

Всі основні методичні розробки дисертації впроваджені на геологічних і гірничих підприємствах Донецького (дільниці розвідки: Брагинівська, Бутівсь-ка, Успенська-Південна; шахти ім. Ізотова, Комсомолець, ім. Леніна, ім. Гага-ріна, ім. Ворошилова, ім. 50-років СРСР – ВГО "Донбасгеологія", "Луганськ-геологія", ВО – "Артемвугілля", "Краснодонвугілля"), Львівсько-Волинського (шахта Тягловська 1, Любельська площа – ВГО "Захвуглегеологія"), Печор-ського (шахти: Воркутинська, Заполярна і Північна – ВО "Воркутавугілля") і Карагандинського (дільниця розвідки Саранська-Глибока – ВГО "Центрказ-геологія", ВО "Карагандавугілля") басейнів. Реальний економічний ефект від впровадження розробок автора, тільки на семи з названих шахт, становить 201,4тис. крб. (в цінах до 1991р.).

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, розроблені концепція роботи і її головні науково-технічні принципи. Як відповідальний виконавець автор брав безпосередню участь в організації досліджень, виборі методів, проведенні польових і шахтних експериментів, розробці, випробуваннях і впровадженні методів і комплексної технології прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву шахт. Розробка технології комплексного прогнозування викидонебезпечності вуглепородного масиву шахти в режимі відкритого моніторингу проводилася автором самостійно шляхом узагальнення великої кількості вхідних геологічних, гірничих і геофізичних даних, методичних розробок за прогнозами та впровадження цих розробок на всіх етапах дослідження, вивчення можливостей і практичного освоєння сучасних персональних ЕОМ і програмного забезпечення для середовища Windows. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові і практичні результати дисертаційної роботи докладалися, обговорювалися і отримали схвалення на чотирьох Всесоюзних геологічних вугільних нарадах (м.Львів: VI – 1980р.; м.Ростов-на-Дону: VII – 1981р., VIII –1986р., IХ –1991р.), на Міжнародному симпозіумі "Горнорудный Пржибрам в науке и технике" (Чехословаччина –1981р.), на Всесоюзних наукових школах "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (м.Сімферополь – 1987, 1990рр.), на V Всесоюзному семінарі "Горная геофизика" (м.Телаві – 1989р.), на Х Всесоюзній науковій конференції "Физические процессы горного производства" (м.Москва – 1991р.), на Міжнародному симпозіумі "Применение математических методов и компьютерных технологий при решении задач геохимии и охраны окружающей среды" (м.Львів – 1994р.), на Х Всеросійській вугільній нараді (м.Ростов-на-Дону – 1999р), на Міжнародних науковопрактичних конференціях: "ХХI столетие – проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых" і "Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле" (м.Дніпропетровськ – 1998, 2000рр.), а також на засіданнях Центральної комісії з боротьби по раптових викидах вугілля і газу Мінвуглепрому СРСР і її секції у Донецькому басейні, на наукових семінарах відділу геології вугільних родовищ великих глибин і Вченій раді Інституту геотехнічної механіки НАН України в 1990 –2000 рр.

Результати дисертації на різних етапах її виконання експонувалися на ВДНГ СРСР і ВДНГ УРСР (бронзова медаль).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 97 наукових роботах. З них: 1 монографія, 4 брошури, 32 статті в наукових журналах та збірниках наукових праць, 3 винаходи, 24 депоновані статті, 33 матеріали і тези наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку літератури з 211 найменувань, 30 додатків і містить 425 сторінок машинописного тексту, у тому числі 275 сторінок основного тексту, 20 таблиць і 50 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз стану проблеми прогнозу викидонебезпечності на вугільних родовищах показав, що методи прогнозу, розроблені в 50 – 90-і роки, при всіх позитивних характеристиках вимагають подальшого вдосконалення, оскільки в процесі їх впровадження і випробовування виявилося, що значна кількість викидів вугілля, порід і газу відбувається на пластах, які вважалися безпечними за зробленими прогнозами.

До теперішнього часу поширеною в країнах СНД і в країнах далекого зарубіжжя є енергетична теорія викидонебезпечності, на основі якої розроблені нормативні документи, що регламентують безпечне ведення гірничих робіт в шах-тах України на пластах, небезпечних за раптовими викидами вугілля, породи і газу. Однак виконання навіть регіонального прогнозу викидоне-безпечності вугільних пластів і вміщуючих порід (пісковиків), який був основою противикидних заходів як раніше, так і для нових економічних умов, за нормативними документами вельми утруднюється через скорочення обсягів розвідувального буріння, зменшення числа проб, що відбираються, і необхідність проведення масових лабораторних визначень показників викидонебезпечності, які дорого коштують.

Аналіз нечисленних досліджень по застосуванню результатів геофізич-них методів досліджень свердловин для прогнозу викидонебезпечності вугіль-них пластів показав, що вони в основному виконувалися за однією схемою – формальне розпізнавання геофізичних образів викидонебезпечних і викидо-безпечних пластів без достатнього петрофізичного обгрунтування цієї класи-фікації. Такий прогноз без залучення початкової геологічної інформації не дає гарантії надійного розділення вугільних пластів за ступенем викидонебез-печності для окремої шахти, бо навчальні вибірки з небезпечними пласто-пересіченнями можуть бути утворені тільки по декількох шахтах в межах геолого-промислового району.

Прогноз на основі петрофізичних взаємозв'язків показників викидонебезпечності вугільних пластів та їх геофізичних параметрів більш перспективний, оскільки встановлені при цьому математичні моделі спираються на вхідну комплексну геолого-геофізичну інформацію і постійно випробовуються численними контрольними групами геологічних ознак викидонебезпечності. Числовий характер вхідних даних дозволяє автоматизувати процес прогнозу і зробити його вельми технологічним.

Таким чином, необхідно розробити таку систему прогнозування викидонебезпечності, яка дозволила би на основі петрофізичного системного підходу ефективно і оперативно здійснювати комплексний прогноз викидонебезпечності вугілля, порід і газу за геолого-геофізичними даними на всіх стадіях розвідки, освоєння та експлуатації шахтного поля, використовуючи сучасні геоінформаційні технології для більш надійного представлення стану вуглепородного масиву. У цьому випадку на шахті можна зосередити всю необхідну інформацію про викидонебезпечний стан окремих горизонтів, дільниць, лав або виробок і здійснювати локальний та поточний прогнози викидонебезпечності оперативно і надійно у всіх напрямах проведення гірничих робіт. Такий підхід до розв'язання проблеми викидонебезпечності насамперед підвищить достовірність методів прогнозу і способів запобігання викидонебезпечності вуглепородного масиву.

Серед усіх видів прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів прогноз на стадії геологорозвідувальних робіт повинен стати основою для інтеграції всієї початкової інформації про геологію і гірничо-геологічні умови шахтного поля. Результати локальних і поточних прогнозів на стадіях будівництва і експлуатації шахт оперативно доповнять його на основі застосування сучасних геоінформаційних технологій у режимі моніторингу.

Реалізація цієї концепції, на наш погляд, повинна також передбачати встановлення надійних кількісних критеріїв віднесення шахтопластів до категорії викидонебезпечних, загрозливих та безпечних, розробку комплексної технології прогнозу викидонебезпечності шахтопластів з виділенням на них диференційованих зон за ступенем викидонебезпечності вже на стадії геологорозвідувальних робіт, на основі використання результатів геофізичних досліджень свердловин.

Розробка петрофізичних основ викидонебезпечності вугільних пластів здійснювалася шляхом вивчення взаємозв'язків існуючих нормативних та запропонованих автором показників викидонебезпечності з геофізичними параметрами стандартного каротажу (електричний опір, радіоактивність, швидкість поздовжніх хвиль і ін.), виміряних в процесі досліджень цих пластів у вуглерозвідувальних свердловинах.

При цьому в якості початкових показників викидонебезпечності використовувалися як нормативні (газоносність, зруйнованість, вихід летючих речовин, глибина залягання грунту і кількість пачок вугільного пласта), так і нові розроблені автором показники, які характеризують речовинні, сорбційні та структурні особливості вугілля. Останні відрізняються тим, що вони визначаються експресними фізичними методами на малих пробах (до 5г), які відбираються в процесі геофізичних досліджень вугільних пластів в свердловинах грунтоносами типу ГМК або ГМС.

Показник зольної складової вугілля Аd вивчався на мікрорівні методом рентгенографічного аналізу (установка ДРОН–3,0) і ідентифікації мінеральних компонентів (рентгенорадіометрична картотека ASTM). Аналіз отриманих результатів підтвердив відоме положення про те, що зольність викидобезпечних пластів вище, ніж небезпечних. Але при цьому було вперше встановлено, що мінеральні компоненти в безпечних за викидами шарах і пластах загалом більш витримані за своїм складом і представлені в основному глинистими мінералами (каолініт, монтморилоніт і т.ін.), які відіграють роль пластифікаторів і знижують викидонебезпечність пласта.

Вивчення органічної складової у вугіллі Vdaf рентгенографічним методом за дискретними бойковими пробами (крок 2,5–10см), відібраними по потужності пласта, показало вельми диференційований характер її зміни в окремих шарах пласта (розмах за ступенем метаморфізму досягає 2 – 3 марок). Це потрібно враховувати при прогнозуванні викидонебезпечності шахтопластів у встановлених межах метаморфізму вугілля, щоб уникнути помилок.

Вперше установлена закономірність впливу потенційної сорбційної здатності вугілля, яка визначається методом електронно-парамагнітного резонансу на спектрометрах типу РЕ–1301 та "Мінськ 12М", на їх викидонебезпечність, підтверджена залежністю значень сорбції ?епр від значень прогнозного критерію викидонебезпечності "Вв" (відповідно і з інформацією про фактичну викидонебезпечність випробуваних шахтопластів). Застосування інформативного параметра ?епр як оцінки "газового фактора" підвищить достовірність і надійність розрахунку комплексного критерію викидонебезпеч-ності вугільних пластів.

На основі отриманих результатів визначення структурних показників і сорбції вугілля методом ЕПР запропонований новий механізм утворення метану у вугіллі, який пояснює підвищений вміст метану при викидах вугілля. Суть механізму полягає в тому, що метан у вугільних пластах в процесі вуглефікації (метаморфізму) не тільки утворюється та нагромаджується в сорбованому вигляді, але і при оголенні гірничою виробкою або витяганні вугілля з масиву гірських порід, нарівні з десорбцією, може додатково генеруватися вугіллям у процесі фізико-хімічних екзотермічних реакцій, виникаючих при його розвантаженні в залежності від досягнутої міри вуглефікації та тектонічної порушеності. Про це свідчить утворення пара-магнітних центрів у вугіллі при його подрібненні і результати спостережень за зразками вугілля методом ЕПР в режимі моніторингу.

Встановлені закономірності між структурними показниками, сорбцією і викидонебезпечністю вугілля (за допомогою методу ЕПР), а також запропонований в зв'язку з цими дослідженнями механізм утворення метану можуть стати основою розробки не тільки технологічних способів оцінки викидонебезпечності, але і нетрадиційних методів визначення метаноносності вугільних пластів.

Вперше встановлено, що маса вугілля з бойків, якими опробуються пласти в геолого-розвідувальних свердловинах, змінюється в залежності від міри порушеності (тріщинуватості) вугілля, що є вельми інформативною ознакою викидонебезпечності вугільних пластів. Середня маса вугілля в бойку для пласта на шахтному полі ы розраховується за формулою

,

де ujg – маса кожної вугільної проби, г; k – кількість свердловин на дільниці розвідки; n – кількість відібраних бойками вугільних проб в одній свердловині.

На цій основі розроблений і впроваджений експрес-метод прогнозу: вугільний пласт, випробуваний бойками, з виходом вугілля ы < 1,3г відносять до викидонебезпечного, із середньою масою в інтервалі 1,3 ? ы =2,0г – до загрозливого і при ы >2г до безпечного (а.с. № 1219825, СРСР).

Дослідження і аналіз кореляційних петрофізичних зв'язків між показни-ками викидонебезпечності, що відображають структурні і речовинні особливості вугілля та його стан (гірський тиск і газ), і геофізичними параметрами, виміряними в свердловинах напроти пластів (електричний опір, природна та наведена радіоактивність, сила струму, зміна діаметру свердловини), вперше показали, що між ними існує стійка і однозначна петрофізична залежність (коефіцієнти кореляції 0,4 – 0,7 при довірчому інтервалі надійності 0,9 – 0,95 та рівні значущості не менше 0,75).

На основі аналізу численних полів кореляції вперше встановлено, що електричний опір, наведена радіоактивність і кавернозність у викидоне-безпечних зонах вугільних пластів збільшуються за рахунок підвищення порушеності – тріщинуватості, газоносності і зниження вологості, а природна радіоактивність зменшується зі зниженням вмісту глинистих мінералів у золі. Проведений аналіз взаємозв'язків показників викидонебезпечності вугільних пластів і геофізичних параметрів і встановлені при цьому закономірності дозволили створити петрофізичну основу для якісного прогнозу викидонебезпечних зон і висунути робочу гіпотезу про те, що на основі багатомірних математичних моделей за даними каротажу можна вести розрахунок як окремих показників викидонебезпечності, так і комплексного критерію "Вв" для вугільних пластів.

Для вибору та реалізації багатомірних статистичних моделей, що дозволяють визначати показники викидонебезпечності вугільних пластів за результатами геофізичних досліджень свердловин, була зроблена оцінка інформативності кожного геофізичного параметра, вибраний оптимальний комплекс їх і потім на цій основі визначався вигляд самих моделей. Аналіз інформативності геофізичних параметрів щодо основних показників викидонебезпечності вугілля дозволив зробити висновок про те, що геофізичні параметри досить інформативні по відношенню до фізичних властивостей основних геологічних показників викидонебезпечності вугільних пластів і можуть бути використані для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів у багатомірних статистичних моделях.

Розробка оптимального рівняння регресії для прогнозу викидонебезпечності здійснювалася ітераційним шляхом за допомогою методів моделювання (регресії, кількісної аналогії), заснованих на використанні математичного апарату відносин в групових структурах. Для цих цілей використаний апарат статистичної залежності у вигляді нелінійних регресій. При цьому діапазон функцій, що досліджуються, знаходився між лінійними рівняннями виду

y = ао+ а1х1+ а2х2+…+ аnхк ( 1 )

і нелінійними у вигляді полінома другого порядку

+. ( 2 )

Для розрахунку використовувалися різні варіанти початкових геолого-геофізичних даних по мірі узагальнення (дільниця розвідки, шахтне поле, район з декількома об'єктами такого типу).

Аналіз досліджених варіантів рівнянь здійснювався на основі використання крокового регресивного методу, що полягає в нарощуванні змінних в початкове неповне рівняння доти, поки рівняння не стане задовільним за всіма статистичними оцінками. Оптимальним рівнянням для прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів в умовах, що оцінюються, виявився поліном другого степеня без змішаних членів

y = ао+ а1х1+…+ аnхn + b1 (х1 )2+…+ bn ( хn )2 , ( 3 )

де y – показник (критерій) викидонебезпечності; х1, х2… хn – геофізичні параметри; ао, а1, а2 …аn, b1, b2 …bn – коефіцієнти полінома.

Аналіз зміни значень залишкових середніх квадратів для приведених видів рівняння вказує на те, що оптимального вигляду рівняння набуває у варіанті (3) і додання змішаних членів істотно не підвищує достовірність розрахунку показників викидонебезпечності (рис. 1).

Рис. 1. Залежність залишкових середніх квадратів S2(Р) від вигляду і варіанта рівняння: а) дільниця Родінська; б) дільниця Бутівська-Глибока;

в) поле шахти ім. Калініна (Центральний район Донбасу)

Як оцінка надійності розрахованих рівнянь регресії використовуються їх вихідні характеристики (залишкова дисперсія, коефіцієнт кореляції, коефіцієнт надійності коефіцієнта кореляції). Передбачається і порівняння контрольної вибірки початкових геологічних даних (40 – 50 визначень показників вики-донебезпечності вугільних пластів по керну, які не входять у вибірку для розрахунку рівнянь регресії) з розрахунковою вибіркою таких же показників, визначених за рівнянням регресії. У цьому випадку використовуються статистичні критерії однозначності середніх t і рівності дисперсій F. В процесі зіставлення визначається похибка обчислення окремих геологічних показників викидонебезпечності (відносна і абсолютна похибки).

Розрахунок основних показників викидонебезпечності вугільних пластів за даними каротажу підтвердив ефективність та достовірність вибраного типу статистичної моделі, яка успішно працює з будь-якими варіантами геолого-геофізичних даних на усіх вибраних об'єктах. При цьому порівняння розрахункових значень показників викидонебезпечності з їх контрольними значеннями, що встановлюються за пробами, показало, що середньоквадратич-на похибка розрахункових значень не перевищує 30%.

Розраховані рівняння для визначення показників викидонебезпечності вугілля Vdaf (вихід летючих речовин з вугілля) і G (природна газоносність вугільного пласта) за допомогою геофізичних параметрів стандартного вугіль-ного каротажу по шахті ім. Румянцева (Центральний геолого-промисловий район Донбасу) мають вигляд

Vdaf=2,8550,002kгз+0,783iф+0,029I +1,936I +0,012d +

+0.0002(kгз)2 +0,132(iф)2+0,0001(I)2+0,058(I)2 0,002(d)2;

G= 61,040,213kгз 4,45iф0,036I 0,983I +0,303d+0,001(kгз)2 +

+0,25(iф)20,002(I)2+0,06(I)20,002(d)2.

Коефіцієнти множинної кореляції цих рівнянь відповідно рівні 0,82 і 0,87, а відносні похибки визначення показників становили 25 і 20,0%.

Як альтернатива використанню стохастичної моделі прогнозу викидонебезпечності, реалізованої за допомогою багатомірного кореляційно-регресійного аналізу, проведена оцінка викидонебезпечності вугільних пластів на основі класифікації їх геофізичних параметрів. Встановлена можливість класифікації геофізичних параметрів по зонах різного ступеня викидонебез-печності на основі їх розподілу в двомірному просторі, отриманому шляхом використання методу нелінійного зниження розмірності n-мірного простору цих параметрів. Складений алгоритм і розроблена програма, що дозволяє провести розділення небезпечних і безпечних зон на викидонебезпечних вугільних пластах за геофізичними даними.

На основі спільності природи викидонебезпечності вугільних пластів та вміщуючих порід (пісковиків) серед газодинамічних явищ в шахтах і встановленої єдиної оптимальної математичної моделі у вигляді полінома другого степеня без змішаних членів, придатної для обчислення критеріїв викидонебезпечності, висунена гіпотеза про можливість розробки єдиної технології прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і пісковиків (вуглепородного масиву загалом) за геофізичними даними.

Для створення і ефективної реалізації об'єднаної технології прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву на основі системного підходу розроблена методологія застосування засобів автоматизації, заснованих на використанні ЕОМ. Були сформульовані основні вимоги до створення і вибору алгоритмів і програмних засобів для автоматизації прогнозу викидонебез-печності, що використовують багатомірні регресійні залежностості і принципи розпізнавання образів, які дозволяють вести підготовку вхідних геолого-геофізичних даних для визначення і окремих показників викидонебезпечності, і комплексного критерію "Вв", а також забезпечують виведення отриманої прогнозної викидонебезпечності в числовому та графічному вигляді (карти, розрізи).

Технічними засобами запропонованої автоматизованої системи прогнозу викидонебезпечності є: перетворювач каротажної інформації в цифрову форму (типу Ф-014), електронна обчислювальна машина та пристрої для вводу і виведення графічних зображень (сканер, плоттер). Для обробки геофізичної інформації на всіх етапах прогнозу використовуються пакети алгоритмів і програм, складені на основі відомих математичних методів сортування інформації, теорії розпізнавання образів, кореляційно-регресійного аналізу та ітерації.

Ці програмні засоби об'єднувалися за функціональними можливостями в геоінформаційну систему для прогнозування викидонебезпечного стану шахтних вуглепородних масивів. Система являє собою комплекс програм для вирішення задач автоматизації прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів та вміщуючих порід за геолого-геофізичними даними і спеціальну програму побудови основи літолого-стратиграфічного розрізу з викидонебезпечною ситуацією, що прогнозується.

Система стандартизована в республіканському галузевому фонді алго-ритмів та програм Мінгео УРСР. За допомогою цієї системи виконано прогно-зування викидонебезпечної ситуації на вугільних пластах та вміщуючих породах більшості об'єктів в Донецькому, Львівсько-Волинському, Печорсь-кому і Карагандинському басейнах.

Для виконання обробки вхідних даних і розрахунків при прогнозі викидонебезпечності освоєні системні пакети програм: Statistica v.5.0 (фірма StatSoft Inc.– США), MathCad 7.0 Pro (фірма MathSoft – США) і Surfer v.6.04 (Golden Software Inc.– США). Випробовування показало, що названі пакети програм взагалі забезпечують працездатність та автоматизацію прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід (пісковиків) за гео-лого-геофізичними даними, однак роз’єднаність програм при вирішенні системних задач прогнозу викидонебезпечності ускладнює користування цими пакетами і створює певні труднощі в підготовці бази вхідних даних.

У зв'язку з цим була створена структура узагальненого модуля для прогнозу викидонебезпечності на основі оптимальної системи ArcView GIS 3.1 – компанія ESRI (США). Ця система є відкритою і дозволяє зробити внутрішнє регулювання за допомогою вбудованої мови Avenue для вирішення заданих користувачем задач.

Оцінка викидонебезпечності вугільних пластів виконувалася в комплексі робіт на шахті Тягловська 1 (пласти n7в і n8у), що будується у Львівсько-Волинському басейні, та на дільниці розвідки Успенська-Південна (пласти k7в, k5 і i31) у Донбасі, для яких побудовані карти в ізолініях, що характеризують викидонебезпечність в плані (2Д) і в об'ємному вигляді (3Д) з урахуванням тектонічного стану на об'єкті.

Таким чином, на основі аналізу, порівняння і випробовування можливо-стей програмних продуктів, розроблених раніше в ІГТМ НАН України, і сучасних ГІС-технологій визначена структура модуля об'єднаного прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід за гірничо-геолого-геофізичними даними.

Розроблена технологія комплексного прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву шахти за петрофізичними даними базується на узагальнених результатах досліджень геологічними і геофізичними методами вуглерозвідувальних свердловин при регіональному прогнозі викидонебезпеч-ності вугільних пластів і використовує методи локального та поточного прогно-зів викидонебезпечності і наробки сучасних комп'ютерних геоінформаційних систем.

Для створення цієї технології використані розроблені в дисертації експрес-метод прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів за масою вугілля з бойків, якими опробуються пласти в процесі геофізичних досліджень в свердловинах; методика визначення показників викидонебезпечності вугіль-них пластів за даними геофізичних досліджень свердловин на основі застосування багатофакторних моделей, пов'язуючих ці показники з компле-ксом геофізичних параметрів стандартного вугільного каротажу (відносна похибка не перевищує 30%); алгоритми і програми для вирішення задач прогнозу викидонебезпечності за геофізичними даними та побудови основи розрізу з викидонебезпечною ситуацією; методика прогнозу викидонебез-печності вугільних пластів за даними геофізичних досліджень свердловин на стадіях детальної розвідки геологічних дільниць, дорозвідки шахтних полів, будівництва і експлуатації шахт (відносна похибка визначення комплексного критерію викидонебезпечності "Вв" не більше 20% при надійності прогнозу викидонебезпечності не менше 85%). Ці методи об'єднані на всіх стадіях прогнозу в загальну технологічну систему з відомими методами прогнозу викидонебезпечності вміщуючих порід (пісковиків) – "Инструкция по безопас-ному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (1989 р.).

Приведена блок-схема технології узагальненого прогнозу викидонебез-печності вугільних пластів і вміщуючих порід за геолого-геофізичними даними (рис. 2) складається з окремих комп'ютерних модулів, які виконують функції по збору, підготовці, розрахунках, зіставленню і виведенню прогнозної інформа-ції. Основним об'єктом прогнозу за цією технологією є шахта з тими проект-ними горизонтами (цільовими вугільними пластами), в яких є або плануються виробки.

Рис. 2. Блок-схема технології прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід за гірничими та геолого-геофізичними даними:

1 – передача відомостей про шахтне поле; 2 – передача вхідних геолого-геофізичних даних; 3 – обмін прогнозною інформацією по вугіллю і пісковиках; 4 – застосування ПЕОМ

Запропонована технологія прогнозу дозволяє вести узагальнений прогноз викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід на основі гірничо-геолого-геофізичних вхідних даних в режимі відкритого моніторингу може бути використана автономно в практиці гірничих підприємств, які комплексно вирішують питання прогнозу і боротьби з викидами вугілля і порід.

Прогноз викидонебезпечності вуглепородних масивів в Донецькому, Львівсько-Волинському, Печорському і Карагандинському басейнах вико-наний на 25 об'єктах, які представлені широким спектром геологічних, тектоні-чних, літолого-стратиграфічних умов залягання порід.

Технологія такого прогнозу розроблена на основі величезної геолого-геофізичної інформації з усіх геологорозвідувальних свердловин на об'єктах і дозволяє за допомогою сучасних персональних комп’ютерів і супроводжуючих програмних засобів створити об'ємне зображення викидонебезпечної ситуації у вуглепородному масиві, що досліджується. На рис. 3 представлений фрагмент масиву між пластами k5 і i31 з вертикальним розрізом, побудованим по лінії I I1 через свердловини по викидонебезпечному пісковику k42Sk5, що залягає безпосередньо під викидонебезпечним вугільним пластом k5.

Рис. 3. Об’ємне подання викидонебезпечної ситуації у вуглепородному масиві на дільниці розвідки Успенська-Південна: 1 – індекс вугільного пласта; 2 – изолінія критерію викидонебезпечності вугілля "Ву"; 3 – градації критерію "Ву"; 4 – найменування пісковика; 5 – викидобезпечний пісковик ( "Вп"< 0,4); 6 – пісковик низького ступеня викидонебезпечності (0,4? "Вп"< 0,6); 7 – номер свердловини; 8 – тектонічне порушення

У вуглепородному масиві шахтного поля для утворення локальних викидонебезпечних зон вельми істотна роль факторів, що відображують літолого-фаціальні особливості та тектоніку масиву (впливає на міру порушеності вугілля або породи). Вперше встановлено, що із збільшенням відносного вмісту щільних кварцових пісковиків з аномальними міцнісними і пружними властивостями у вуглепородному масиві підвищується його фізико-механічна жорсткість і напружений стан, які сприяють формуванню викидо-небезпечного стану вугілля. При цьому аномальність локальних викидонебез-печних зон виявляється на фоні достатніх регіональних факторів – напруженого стану масиву, його газоносності та ступеня метаморфізму.

Роль речовинного складу порід в системі "вугілля–порода" є визначаль-ною в механізмі викидонебезпечності. Це виявляється в регіональному плані при порівнянні пісковиків з різних вугільних басейнів: Донецького, Печорсь-кого і Карагандинського. Оскільки в пісковиках, що залягають у вугленосних масивах двох останніх басейнів, міститься менше уламкового кварцу і відпо-відно збільшений вміст слюдисто-глинистих мінералів, що підвищують пласти-чність масиву, то викиди там не спостерігаються (при однаковій