Марина Васильева,  участковый геолог, ПАО «Распадская», поделилась опытом решения производственных задач на угледобывающем предприятии.

Выявление зоны возможной тектонической нарушенности с помощью прочностных показателей пород кровли пласта является новаторской идеей для предварительного выявления геологических нарушений.

Несвоевременное выявление нарушений ведет к снижению производственных показателей и экономическим затратам. К зонам тектонических нарушений относятся участки с разрывом сплошности пласта и наличием трещиноватых и ослабленных боковых пород с заниженными прочностными показателями. На стадии геологоразведки тектонические нарушения выявляются с помощью бурения скважин и геофизических методов.

Как правило, при эксплуатационной разведки, подобные дислокации горными работами вскрываются намного чаще. Встреча непрогнозируемого тектонического нарушения несет за собой соблюдение производственных требований безопасности, таких как: остановка забоя, составления дополнения к паспорту ведения горных работ, подготовка материалов и оборудования. Невыполнение данных операций может привести к обрушению пород кровли пласта, горному удару, внезапному выбросу угля (породы) и газа, повышенной обводненности сместителя нарушения (зон перемятых пород), пересекающих затопленные выработки. В свою очередь требования, соблюдение которых обеспечивает промышленную безопасность и безопасность при ведении горных работ,  направлены на предупреждение аварий и инцидентов в угледобывающей отрасли. Для избежания подобных ситуаций, выявление зон возможной тектонической нарушенности является очень важной задачей для горного производства.

Процесс прогнозирования опасных тектонических зон существенно упростился благодаря 3D моделированию. Имея данные прочностных показателей непосредственной кровли пласта на бумажном формате, была подготовлена база данных в ПО Micromine для интерполяции зон тектонической нарушенности. Дело в том, что плотность разведочной сети весьма разряжена и интерполирование зоны вручную было не корректно. После полученного результата зоны возможной тектонической нарушенности в ПО Micromine, анализировались геологические разрезы по профилям и между ними на стадии геологоразведочных работ. Информации, по которой можно рассуждать о разрыве целостности угольного пласта или пликативной нарушенности, не было. Прогнозирование и выявление зон пониженной прочности кровли пласта с помощью ПО Micromine в будущем облегчит горные работы не только геологической службе, но и подготовительным участкам шахты.

Введение

В рамках инвестпроекта ЕВРАЗа на шахте «Распадская» запущена в работу 3D – модель на базе ПО Micromine. Эта современная компьютерная программа позволяет поддерживать и оперативно обновлять базу данных с актуальной информацией о запасах и качестве угля, проектировать горные выработки, делать точные геологические прогнозы.

Поводом данных исследований послужил перемонтаж комплекса JOY-3 в результате обнаружения тектоничекого нарушения, амплитуда смещения которого в два раза превысила мощность пласта. Такая геологическая ситуация создает множество проблем при ведении горных работ [2], таких как: незапланированные эксплуатационные потери, изменения плана развития и технологии ведения горных работ. Иными словами, экономико-временной цикл горного производства нарушается.

На шахте «Распадская» к зонам геологических нарушений, опасным для ведения горных работ, относятся участки угольного пласта, на которых наблюдаются снижение прочности и устойчивости угля и боковых пород, увеличение их трещиноватости, обводненности, связанное с разрывными или пликативными нарушениями.

Основная часть

Опасные зоны, сопряженные с геологическими нарушениями, обусловлены наличием вблизи сместителя участков ослабленных, интенсивно трещиноватых вмещающих пород и угля, что вызывает необходимость принятия дополнительных мер безопасности при ведении горных работ [1]. Поэтому важно прогнозировать зону влияния тектонического нарушения, границы которой и будут являться границей опасной зоны [5].

Анализ прочностных свойств углей и углевмещающих пород проводилось на всех этапах геологоразведочных работ с целью прогнозной оценки их устойчивости при ведении эксплуатационных работ. С помощью изучения кернового материала, лабораторных исследований, геофизических исследований в скважинах выделялись ослабленные и трещиноватые зоны в кровле и почве пластов [7].

Комплекс геофизических исследований на стадии геологоразведочных работ проводился в несколько этапов. Один из этапов выполнялся рациональным комплексом методов, включающим радиоактивный каротаж (ГК, ГГК), кавернометрию. Характерный рисунок диаграмм, обусловленный строением, мощностью, составом, а также выдержанные межпластовые расстояния или закономерное их изменение, позволяют в большинстве случаев однозначно определить наличие тектонических нарушений. Геологические нарушения устанавливались по повтору пластов и разрезов, аномальному увеличению межпластового расстояния, отсутствию корреляции между разрезами скважин. По комплексам геофизических исследований в скважинах выполнялся расчет предела прочности на одноосное сжатие для углевмещающих пород кровли и почвы пласта, исключая угли и углистые породы. Для расчета были применены многомерные корреляционные уравнения, выведенные  для Распадского месторождения в процессе опытно-методических работ. В качестве исходной информации использованы результаты исследований по двум скважинам, расположенным на основном поле. Корреляционные уравнения имеют следующий вид:

s сж.= 18,8 ln rk – 27,4 ln (100 Ig) + 96,6 d – 211,2

s сж.= 11,6 ln rk – 16,8 ln (100Ig) – 91∆Т +559,

где:   rk   кажущееся сопротивление пород, определенное по диаграмме rk Ig – нормированная гамма-активность пород, определенная по диаграмме ГК.  Нормирование выполнено таким образом, чтобы гамма-активность алевролита равнялась 0,6, угля – 0,1.   d – плотность пород. Для определения плотности использовалась диаграмма ГГК. Плотность определялась по формуле:

d=3.0827e-1.2793n+∆dопор.,

где n- значения ГГК, исправленные за изменение диаметра скважины; ∆dопор. – разница между рассчитанным значением плотности и лабораторной плотностью в опорной скважине по опорному интервалу.

∆Т – интервальное время, определенное по диаграммам акустического каротажа.

Результаты расчетов предела прочности выносились в виде графиков на литолого-прочностные разрезы, прилагаемые к прогнозу состояния кровли угольных пластов (рис. 1). Плотность данных по пределу прочности на исследуемом участке в среднем составляет 1 расчет на 275 тыс. м2.

Как правило, тектонические нарушения, фактически вскрытые горными выработками, не совпадают с имеющимися данными геологоразведки: положение сместителя и зоны повышенной трещиноватости кардинально отличаются.

Данная ситуация послужила катализатором для детального изучения определенного участка недр, на котором ведутся подготовительные горные работы и в ближайшее время планируется отработка пласта с целью выявления опережающей информации по зонам повышенной трещиноватости.

Анализ данных (физико-механические свойства пород и др.), полученных в результате проведения геологоразведочных работ, позволили определить фоновые показатели прочностных свойств (δсж – предел прочности, f – коэффициент крепости), пород непосредственной кровли пласта разных литологических разностей. На участке недр с помощью литолого-прочностных разрезов анализировались данные по пределу прочности пород кровли пласта [11]. Были найдены подсечения скважинами тектонических нарушений. Значения предела прочности оказались заниженными по сравнению с фоновым значением для данной литологической разности, что не зависело от амплитуды смещения пласта и глубины ведения работ [10]. Таких данных оказалось намного больше, чем подсечений скважинами тектонических нарушений.

Рис.1. Фрагмент литолого-прочностного разреза по скважине с тектоническим нарушением и геологический разрез к нему

 

Далее, для выявления потенциальных зон с возможной тектонической нарушенностью было использовано ПО Micromine. Первый этап начался с подготовки базы данных непосредственной кровли пласта участка недр, в которую были занесены значения предела прочности по скважинам. Отображения данных по каждому литотипу пород производилось в разной цветовой кодировке, для облегчения восприятия данных.

Рис.2. Отображение количества значений предела прочности по скважинам, непосредственной кровли пласта по литологическим разностям в Micromine.

 

Второй этап заключался в построении сеточных моделей участка недр высотных отметок кровли пласта и непосредственной кровли. На основе сеточных моделей создалась блочная модель непосредственной кровли пласта. На третьем этапе проводилась оценка значений содержаний, показателя предела прочности пород кровли с помощью интерполяции методом ординарного кригинга. Так как непосредственная кровля пласта была представлена разными литологическими типами с разными градациями значений показателей прочности, оценка делалась отдельно для каждого вида пород.

Рис.3. Блочная модель непосредственной кровли пласта. (АМ – алевролит мелкозернистый, АК – алевролит крупнозернистый, АМ/АК – переслаивание алевролитов).

 

Полученный результат демонстрирует, что положение проинтерполированной зоны повышенной трещиноватости совпадает с направлением простирания фактических вскрытых нарушений, чего нельзя сказать про данные геологоразведки. В связи с этим пришла идея проверить и детализировать полученную информацию. Количество пересечений кровли пласта составляет 62 скважины, 43 из них имеют данные предела прочности. Плотность разведочной сети весьма разряжена, среднее расстояние между скважинами в профиле составляет 250 м, между профилями 350 м. Были отобраны образцы через 50-100 м из непосредственной кровли пласта выработки, в зоне влияния фактически вскрытых тектонических нарушений, и проделана серия испытаний определения коэффициента крепости пород с помощью ручного прибора РПП [4]. Полученные результаты крепости пород были переведены в предел прочности и внесены в базу данных Micromine по скважинам.

ƒ=δсж/10;   δсж=ƒx10

Рис.4. Сверху. Профиль выработки. Пунктирной линией показан достоверный разлом, сплошной – зона повышенной трещиноватости. Снизу. Итоговая блочная модель непосредственной кровли пласта с детализированной зоной трещиноватости с учетом опробования по горной выработке. Условные обозначения см.рис.3

 

Тем самым была детализирована зона повышенной трещиноватости кровли пласта с помощью фактически вскрытых нарушений при проведении горной выработки.

Заключение

При встрече непрогнозируемого нарушения пласта, продвижение подготовительного или очистного забоя замедляется в связи с изменением технологии горных работ, а также доставкой необходимых материалов и оборудования, что в свою очередь приводит к невыполнению производственного плана. Прогнозирование и выявление зон пониженной прочности кровли пласта с помощью ПО Micromine в будущем облегчит горные работы не только геологической службе, но и подготовительным участкам шахты.

 

Библиографический список:

1. Brady B., Brawn E. Rock Mechanics for Underground mining. 3 ed. — Kluwer Academic Publishers. 2004. — P. 688 p.1. Brady B., Brawn E. Rock Mechanics for Underground mining. 3 ed. — Kluwer Academic Publishers. 2004. — P. 688

2. Bondarenko V. Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining. – Taylor&Francis. 2014. – P. 450

3. Loke M. H., Chambers J. E., Rucker D. F., Kuras O., Wilkinson P. B. Recent developments in the direct-current geoelectrical imaging method. Journal of Applied Geophysics. 2013. № 95. P. 135–156

4. Teng Li, Zonglong Mu, , Guangjian Liu, Junliu Du, Hao Lu. Stress spatial    evolution law and rockburst danger induced by coal mining in fault zone. International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Volume 26. № 3. P. 409–415

5. Hatherly P , Medhurst T., Zhou B. Geotechnical evaluation of coal deposits based on the Geophysical Strata Rating. International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Volume 163.  P. 72–86

6. Штумпф Г. Г., Рыжков Ю. А., Шаламанов В. А., Петров А. И. Физико- технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. – М.: Недра, 1994. С. 447

7. Гречухин В. В., Бродский П. А., Климов А. А. Геофизические методы изучения геологии угольных месторождений – M.: Недра, 1995. С. 477

8. Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. –М.: Недра, 1991. С. 368

9. Очеретенко И. А. Методическое пособие по изучению тектоники при разведке угольных месторождений. – Л.: Недра, 1988. С. 189

10. Глухов А.А., Анциферов А.В. Метод определения типа и параметров малоамплитудной тектонической нарушенности угольного пласта. Проблемы горного давления. – 2001. – №5 – С. 106-113

11. Черданцев Н.В., Черданцев С.В. Геомеханическое состояние массива горных пород, вмещающего выработку и дизъюнктивное нарушение – Вестник КузГТУ. –2014. – ¹ 6. – С. 3–12

12. Букринский В.А. Геометрия недр. – М.: Недра, 1999. – С. 526

13. Анциферов А.Ф. Повышение надежности прогноза малоамплитудной    тектонической нарушенности угольных пластов на основе комплексного  использования геолого-геофизической информации. – 1998. – №4. – С. 45-52

14. Писаренко М. В. Журнал. Маркшейдерия и недропользование. – 2011. – №6. – С. 17 – 18

15. Гумиров Ш. В. Фациальная и палеоландшафтная реконструкция в угленосных формациях.  Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2014. С. – 42

16. Розенбаум М.А., Бакуменко С.В. Журнал. Маркшейдерия и недропользование. – 2015. – №5. – С. 47 – 49 с. 17. Гриб Н.Н., Кузнецов П.Ю., Сясько А.А., Качаев А.В. Журнал. Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6 (часть 2) – С. 397 – 401

Статья опубликована в “Горном журнале” номер 7 , 2017 г.