Современная угольная геофизика: оценка и прогноз устойчивости кровли, прогноз тектоники, аварии на шахтах и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Об исследованиях угленосной толщи
с помощью спектрально-акустических измерений
или
современная угольная геофизика

Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
февраль 2009, Санкт-Петербург

     Если шахтным геологам задать вопрос, что бы они хотели получить от геофизики более всего, ответ будет однозначным - это оценка и прогноз устойчивости кровли и прогноз тектоники. Предполагается, что внезапная встреча забоя с тектоникой чревата множеством неприятностей. Однако в тех случаях, когда мне приходилось участвовать в разборах аварий на шахтах, зачастую оказывалось, что в качестве причины аварии называлась тектоника просто потому, что настоящая причина оставалась неизвестной. Надо признать, что при огромном количестве информации о тектонических нарушениях в учебной и научной литературе, практически реализуемых методов выявления тектоники никогда не существовало. Первым и пока единственным таким методом является спектральная сейсморазведка [1].
     В основе спектральной сейсморазведки лежит физический эффект, который (в простейшем виде) заключается в том, что при ударном воздействии на плоскопараллельную геологическую структуру возникает сейсмосигнал, имеющий затухающий гармонический (синусоидальный) характер. Причем связь собственной частоты f0 породного слоя с толщиной (мощностью) h определяется следующим соотношением:

h = Vsh / f0,           (1)

где Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний. Совершенно поразительным с точки зрения традиционной сейсморазведки оказалось то, что с погрешностью, не превышающей ±10% это соотношение выполняется для всех горных пород при постоянном значении Vsh, равном 2500м/с.
     Эффект этот был обнаружен в 1977 году, и первоначально он использовался для определения мощности породного слоя, который принято называть непосредственной кровлей подземных выработок в угольных шахтах. Для этого была создана аппаратура и методика, известная шахтным геологам под названием «Резонанс».
     В принципе, аппаратура «Резонанс» решала проблему оценки и прогнозирования устойчивости пород кровли [2] так, как она тогда понималась. По представлениям тех лет, устойчивость пород кровли определяется мощностью непосредственной кровли, и поиску метода определения этой мощности уделялось очень много сил, вплоть до бурения в кровлю восстающими скважинами непосредственно из подземных выработок.
     Выявление мощности непосредственной кровли с помощью аппаратуры «Резонанс» позволяет определять длину анкеров крепи и давать рекомендации по выбору типа крепления выработок. Аппаратура «Резонанс» эксплуатировалась с 1980-го года на угольных шахтах на территории СССР, и последний из известных экземпляров эксплуатировался на шахте Алардинская (Кузбасс) еще в 2006 году. Об эффективности аппаратуры «Резонанс» можно судить хотя бы по тому, что шахты, использовавшие для прогнозирования устойчивости кровли бурение восстающими скважинами из подземных выработок, от этого бурения отказывались, предпочитая ему использование методики «Резонанс».
     Волею обстоятельств, в 1993 году подземные исследования были нами прекращены. Работа же с аппаратурой «Резонанс» с поверхности позволила видоизменить методику и аппаратуру, и тогда было обнаружено, что с помощью этих измерений оказалось возможным выявление зон тектонических нарушений (ЗТН) и изучение их свойств.
     Эти исследования получили название спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).
     Сначала изучение свойств ЗТН [3] шло на чисто феноменологическом уровне, при минимуме понимания. Случайно было обнаружено, что наличие ЗТН проявляется на ССП-разрезе V-образным объектом или одной его составляющей, и что наличие ЗТН является признаком того, что в данном месте должно идти разрушение инженерного сооружения. Так, на рис.1 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в подвале одного из самых разрушающихся жилых домов в СПб, находящегося по адресу ул. Шпалерная д.11.

ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 2
(Шпалерная, 11)
ССП-разрез, полученный при профилировании в подвале одного из самых разрушающихся жилых домов в СПб, находящегося по адресу ул. Шпалерная д.11
Рис. 1

     Профилирование осуществлялось с шагом 0.5м, что определялось размером подвала,  ширина ЗТН при этом составляла всего 4 метра. Встречавшаяся нам ширина ЗТН - от столь незначительных, как в данном случае, размеров и до полукилометра.
     Как показали наблюдения, сооружения, под которыми имеет место наличие ЗТН, разрушаются без всяких видимых причин. Обнаружив это при первом же сейсмопрофилировании, мы успешно используем ССП для прогноза разрушений самых разнообразных сооружений.
     Далее, в 1997 году так же случайно было обнаружено, что в ЗТН имеет место выход глубинной напорной воды... И только после осознания открытого в 1998 году А.Д. Сашуриным [4, 5] явления планетарной пульсации стала просматриваться логика в свойствах ЗТН.
     Природа, происхождение и источник планетарной пульсации неизвестны. По всей видимости, местонахождение источника ее очень глубоко. Возможно, близко к ядру Земли, где породы не являются твердыми. Находящиеся выше твердые породы под воздействием этой пульсации разрушаются до такого состояния, что твердой средой уже не являются. Разрушая таким образом горные породы, зона пульсации создает как бы канал в направлении дневной поверхности, в котором породы находятся в крайне разрушенном, и следовательно, проницаемом для жидкостей и газов состоянии.
     Таков оказался механизм формирования ЗТН. На поверхности Земли амплитуда планетарной пульсации достигает 10см, но из-за того, что она имеет сверхнизкую частоту, то регистрироваться она может только с помощью специальной высокоточной геодезической аппаратуры.
     Разрушая горные породы, планетарная пульсация разрушает и все те инженерные сооружения, которые оказываются в зоне этой пульсации, то есть в ЗТН. При этом не имеет значения, находятся ли эти сооружения на дневной поверхности или в подземном пространстве. То есть, выявив с помощью проведения ССП-профилирования на поверхности зону тектонического нарушения, мы можем с уверенностью прогнозировать разрушение участка подземной выработки, находящейся на любой глубине.
     Одной из важнейших проблем, рассматривающихся в научной литературе, посвященной тектонике, является вопрос о том, насколько вертикально вглубь Земли уходит ЗТН. Трудно сказать, насколько это повсеместно, но в рамках нашего опыта мы до сих пор видели только строго вертикальное расположение ЗТН. К этому выводу мы пришли в результате того, что прогноз разрушения горных выработок совпадает с фактическим положением зоны разрушения с точностью до шага профилирования. Так, в Казахстане (предприятие ДонГОК в Хромтау), при профилировании с шагом 1м, именно с такой точностью совпадает прогноз разрушения выработок, находящихся на глубине 700м.
     Такой же результат был получен при проведении подобных работ на угольных шахтах Листвяжной и Костромовской в Кемеровской области. Зоны тектонических нарушений, выявленные при профилировании по дневной поверхности, соответствовали проблемным зонам, имевшим место в подземных выработках, а также оказались точным прогнозом для выработок, которых на момент профилирования еще не было.
     Последствия от встречи с ЗТН угленосной толщи имеют существенные особенности. Рассмотрим возможные последствия при встрече забоя с ЗТН, когда разрушенными оказываются как вмещающие породы, так и уголь.
     Встретившись с ЗТН, выработка оказывается в условиях разрушенных горных пород. Разрушены породы кровли, и если шахтеры этого не ожидали, то обрушение пород будет носить внезапный характер, и они не будут успевать подхватывать отдельные куски породы. В очистном забое из-за вывалов теряется упор для механизированной крепи, из-за чего замедляется подвигание забоя. Уменьшение же скорости подвигания забоя приводит к увеличению вывалообразования. Вот и приходится возводить костры для обеспечения упора стоек высококлассной механизированной крепи. При наличии же своевременной информации о приближении к ЗТН горнорабочие очистного забоя увеличивают скорость выдвигания козырьков и тем самым предотвращают само начало вывалообразования.
     При проходке подготовительных и капитальных выработок внезапное вывалообразование при отсутствии прогноза ЗТН приводит к резкому уменьшению скорости проходки и увеличению трудозатрат. Если проходчики предупреждены о приближающейся ЗТН, то они ослабляют вывалообразование путем уменьшения до нуля незакрепленного пространства. При таком режиме работы замедляется скорость проходки, но лучше немного притормозить, чем оказаться в аварийной ситуации.
     Разрушение в ЗТН пород почвы приводит в очистном забое к увеличению ее податливости (уменьшению несущей способности), и теперь распор крепи отсутствует уже не из-за кровли, а из-за почвы. Вот это осложнение нейтрализовать сложнее. А кроме того, остановка забоя из-за ухода крепи в почву вызывает неизбежное в ЗТН вывалообразование пород кровли...
     На рис.2 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании над очистным забоем лавы 1305 шахты Листвяжная, где на момент измерений (07-10-03г) механизированный комплекс, что называется, тонул в почве уже 2 месяца.

ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 5
(шахта Инская)
ССП-разрез, полученный при профилировании над очистным забоем лавы 1305 шахты Листвяжная
Рис. 2

     При залегании в почве выработки аргиллита в ЗТН возникает еще одно явление - пучение. Оно проявляется главным образом в штреках. При этом почва может подниматься вплоть до кровли. Это также весьма неприятное явление, которое приводит к различным аварийным ситуациям.
     Разрушение в ЗТН угольного пласта приводит к выделению растворенного в угле метана. Если высвобожденный из угля метан не может выйти в выработку, то он находится под высоким давлением, и при вскрытии комбайном (проходческим или очистным) "газового мешка" вырывается в шахтное пространство. Последствия увеличения концентрации метана в атмосфере шахты в комментариях не нуждаются. Понятно, что при наличии предварительной информации о местоположении ЗТН своевременная дегазация с поверхности или из подземной выработки проблему взрыва метана снимает.
     К сожалению, как показывает опыт, местонахождение дегазационных установок в связи с отсутствием информации о местонахождении ЗТН никак не связано с зонами повышенной газообильности. (скопления газа)
     При внезапном вскрытии горными работами ЗТН, все перечисленные факторы действуют одновременно, и при некоторых условиях последствия могут оказаться  трагическими. Так, 24 мая 2007 года, на шахте Юбилейная, в Новокузнецке, при внезапном вскрытии ЗТН очистным забоем произошло массовое обрушение пород (прочного песчаника) кровли, и при этом одновременно из угольного пласта вырвалось большое количество метана. Обрушение пород кровли вызвало разрушение находящейся вблизи перемычки, возведенной для того, чтобы изолировать от атмосферы оставленный целик самовозгорающегося угля. Как выяснилось, полной изоляции достичь не удалось, и уголь тлел. При разрушении перемычки, наличия фактически открытого огня и большой концентрации метана произошел взрыв. При этом погибло 37 человек. Понятно, что при своевременной дегазации этого бы не произошло.
     Еще одно негативное явление, связанное со вскрытием горными работами ЗТН - обводнение горных выработок. Это явление характерно не только для угольных шахт, но и для любых подземных объектов. Изучение свойств ЗТН показало, что основное поступление воды происходит именно в этих зонах. Эксплуатация этого свойства ЗТН позволяет улучшить обеспечение водой во всех регионах Земли [6]. Однако вскрытие этих зон строительными котлованами либо подземными выработками может привести к аварийным ситуациям. От резкого и обильного обводнения в шахтах происходит затопление целых выработок, что может сопровождаться даже человеческими жертвами. Поскольку причина обводнения раньше была неизвестна, это приписывалось протечкам из неких гипотетических подземных озер. Сейчас, когда это оказалось прогнозируемым, при наличии информации о предстоящей встрече со значительной по мощности ЗТН, своевременная мобилизация соответствующей техники для откачивания воды может нейтрализовать это явление.
     Отдельной проблемой, не связанной, как раньше считалось, с ЗТН, являются удароопасность и выбросоопасность. Однако оказалось, что это не так.
     Всегда предполагалось, что причиной горных ударов является избыток энергетики в горном массиве и повышенное напряженное состояние пород. Эта точка зрения весьма распространена и традиционна. Но здесь необходимо учесть, что ни энергетика, ни напряженное состояние измерению не подлежат. Не существует датчиков этих субстанций, и, следовательно, нет такой аппаратуры, с помощью которой можно было бы получить объективную информацию об этих характеристиках горного массива. А если субстанция не подлежит измерению, то и обсуждать ее неправомерно.
     Как оказалось, причина горных ударов лежит в свойствах ЗТН.
     Для того, чтобы описать физику формирования удароопасной ситуации, необходимо вспомнить физический эффект, обнаружение которого положило начало спектральной сейсморазведки. Как удалось установить (еще в 1977г), сейсмосигнал состоит из одной или нескольких гармонических составляющих. Это очень важный момент не только для становления спектральной сейсморазведки, но и для всей науки о Земле.
     Всегда считалось, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ. Это мнение возникло чисто умозрительно. Однако, если реакция на ударное воздействие представляет собой один или совокупность из нескольких гармонических процессов, значит, по акустическим свойствам земная толща является не совокупностью отражающих границ, а совокупностью колебательных систем. Потому что никаким другим способом кроме как воздействием на колебательную систему гармонический затухающий сигнал не получить.
     Если объект проявляет свойства колебательной системы, возникает вероятность резонансных явлений, для рассмотрения которых необходимо привлечь такую характеристику как добротность колебательной системы.
     Понятие добротности (в данном смысле этого слова) применимо только для гармонических затухающих сигналов. Если сигнал не содержит затухающего гармонического процесса, добротность его равна единице. Добротность затухающего гармонического сигнала Q тем больше, чем медленнее происходит его затухание. С другой стороны, чем длительнее (медленнее) затухание гармонического сигнала, тем больше вероятность возникновения резонансных явлений. Или, иначе говоря, чем выше значение добротности, тем больше вероятность возникновения резонансных явлений.
     Значения добротностей колебательной системы и гармонического затухающего сигнала, возникающего в данной колебательной системе, равны. То есть добротность колебательной системы равна добротности гармонического затухающего сигнала, порождаемого этой колебательной системой.
     Итак, земная толща в целом проявляет свойства колебательных систем, и при этом, как оказалось, в ЗТН имеет место увеличение добротности этих колебательных систем. За счет этого, собственно, эти зоны и прорисовываются на ССП-разрезах.
     На примере сигнала, записанного на 4-м метре профиля, ССП-разрез по которому приведен на рис.1, рассмотрим процесс преобразования сейсмосигнала в ходе построения ССП-разреза. На рис.3 приведен сейсмосигнал на оси времени в том виде, в котором он получен при сейсмоработах.

Сейсмосигнал на оси времени в том виде, в котором он получен при сейсмоработах.
Рис. 3

     Ось ординат имеет пределы ±2048, что соответствует 10-разрядному  амплитудно-цифровому преобразователю (АЦП). Ось абсцисс - ось времени, деления которой соответствуют периоду дискретизации, равному (в данном случае) 240мкс. То есть, 2600 соответствует 624мс. То есть, длительность записи сейсмосигнала соответствовала 0,624сек.
     В начале, сразу после ударного воздействия (в момент времени, соответствующий значению на оси абсцисс, равному 300), возникает несколько затухающих гармонических составляющих сейсмосигнала. Самые высокочастотные составляющие затухают к моменту времени, равному 400. К моменту, равному 700, затухает среднечастотная составляющая, и далее остается только самая низкочастотная составляющая. Уже на этом временнόм изображении видно, насколько высокодобротна эта самая низкочастотная гармоническая составляющая сейсмосигнала. Однако это на качественном уровне, а в количественном представлении это видно на спектральном изображении этого сигнала, что показано на рис.4а.


Рис. 4

     Ось абсцисс на спектральном изображении - частота f или, в соответствии с выражением (1), глубина h. Ось ординат - плотность спектра A(f), величина которой на экстремальных точках имеет смысл добротности Q.
     На рис.4а видно, что эта высокодобротная составляющая сейсмосигнала характеризуется частотой f, равной 17Гц, и добротностью Q, равной 100. Для сравнения, среднечастотная составляющая сейсмосигнала, затухающая к моменту времени, равному 700, характеризуется частотой f, равной 25Гц и добротностью Q, примерно равной 25. Далее, для того, чтобы спектральное изображение сейсмосигнала заняло свое место на ССП-разрезе, оно поворачивается на 90º, после чего чисто геометрически создается симметричная ей кривая, и получившаяся фигура зачерняется, что показано на рис.4b. В таком виде ССП-разрез визуально воспринимается наиболее наглядно.
     Этот сигнал взят для примера потому, что гармоническая составляющая, соответствующая острию V-образного объекта на ССП-разрезе (h=150м), имеет наибольшую добротность. Это типично для ССП-изображений ЗТН.
     Резонанс - это совпадение частоты периодического воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую это воздействие оказывается. В результате такого воздействия происходит плавное, от периода к периоду, возрастание амплитуды колебаний. Амплитуда при этом может возрасти в Q раз. Реальные значения добротности в ЗТН - 50÷100, и такое возрастание амплитуды ограничено возникновением аварийной ситуации. Обычно разрушение происходит еще до достижения максимальной амплитуды, причем разрушение мгновенное, удароподобное.
     Многие инженерные сооружения рассматриваются с точки зрения вероятности возникновения резонансных явлений. Мы знаем, как в результате прохождения по мосту воинского подразделения разрушился мост. Здесь имел место резонанс за счет совпадения частоты ударного периодического ритмического воздействия шагающих в ногу людей с собственной частотой имеющейся в конструкции моста высокодобротной колебательной системы. Однако оказалось, что с точки зрения возникновения резонансных явлений следует рассматривать не только инженерные сооружения, но и земную толщу как опору сооружений.
     Вот этот механизм и является формирующим горные удары. Резонанс возникает при совпадении частоты вибрации работающей установки, частота которой оказалась равной частоте высокодобротной гармонической составляющей сейсмосигнала в точке местонахождения установки. Люди, наблюдавшие горные удары, знают, что при остановке машин горные удары прекращаются. Этими машинами в угольных шахтах являются добычные и проходческие комбайны.  То же самое происходит и на насосных станциях, где горные удары прекращаются при остановке насосов (именно это происходит на очистных сооружениях в Ольгино, под Санкт-Петербургом).
     При наблюдении горных ударов на угольных шахтах, разрабатывающих свиту пластов, замечено, что удароопасные зоны на различных пластах находятся на одной вертикали. Это, на мой взгляд, является доказательством того, что они приурочены к одной зоне, и это еще с одной стороны подтверждает описанный механизм горных ударов.
     И, наконец, о внезапных выбросах угля и газа.
     В принципе, физика внезапного выброса угля и газа аналогична уже рассмотренной физике выброса метана из угольного пласта при вскрытии ЗТН. Отличие - в свойствах угля. Условия, в которых могут происходить внезапные выбросы угля и газа, следующие.
     Потенциально выбросоопасный уголь, который находится в ЗТН, в начале разрушается точно так же, как и невыбросоопасный. В отличие от невыбросоопасного, выбросоопасный разрушается до мельчайшего состояния, до так называемой, «бешеной муки». Тот, кто бывал на выбросоопасных шахтах, видел эту своеобразную субстанцию. Бешеная мука накапливается в тупиковых выработках как невесомый угольный пух. Этот пух лежит на лужах, не смачивается и не тонет.
     Бешеная мука состоит из мельчайших, размером в молекулу, частиц угля. Благодаря этому бешеная мука закупоривает объем, в котором находится высвободившийся из разрушающегося угля метан до полной его герметизации. В результате давление в этом объеме может достигать огромных величин. Поэтому выброс газа происходит при вскрытии этого объема очень резко, мгновенно, вместе с бешеной мукой, и часто выработка, в которую происходит выброс, оказывается, что называется, запечатанной этой бешеной мукой. Дегазация на выбросоопасных шахтах из выработанного пространства весьма опасна, так как проникновение буровым инструментом в объем с находящимся под высоким давлением газом может инициировать выброс. На выбросоопасных шахтах дегазация должна вестись прицельно, с поверхности, непосредственно в ЗТН.
     Анализ использования информативных возможностей спектрально-акустических измерений на угленосной толще показывает, что методика Резонанс и методика ССП дополняют друг друга и в комплексе являются оптимальным объемом геофизических исследований на угольных шахтах.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия.
  2. Гликман А.Г. Оценка и прогнозирование устойчивости кровли подземных выработок.
  3. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений.
  4. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
  5. Гликман А.Г. Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов.
  6. Гликман А.Г. О решении проблемы поиска воды.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: