Вугілля як найбільш стабільна сировина. Знайомство з особливостями розробки петрофізичних основ технології комплексного прогнозування викидонебезпечноті вугільних пластів. Аналіз технології комплексного прогнозу викидонебезпечності вуглепородного масиву.
Аннотация к работе
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. Відсутність інформації про петрофізичні взаємозвязки між показниками або критеріями викидонебезпечності вугільних пластів з геофізичними параметрами не дозволяє використати для прогнозу викидонебезпечності дані каротажу. Вивчити петрофізичні взаємозвязки основних показників викидонебезпечності вугільних пластів, що відображають їх речовинний склад, структурні особливості, газонасиченість, напружений стан, і геофізичних параметрів (електричний опір, радіоактивність, швидкість поздовжніх хвиль і т.п.), виміряних у процесі каротажу цих пластів в свердловинах. 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. 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.Виявлені інформативні показники викидонебезпечності вугілля, що характеризують його структурні, сорбційні і речовинні особливості, які визначаються експресними фізичними методами (оптичний, рентгеноструктурний, електронно-парамагнітний резонанс) на малих пробах, що відбираються в процесі геофізичних досліджень вугільних пластів в свердловинах. Вперше встановлено, що мінімальна маса вугілля з бойків, якими опробуються пласти в геологорозвідувальних свердловинах, характерна для викидонебезпечних вугільних пластів з максимальним ступенем порушеності (тріщинуватості) вугілля. Вперше 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. Рентгенографічним методом в дискретних бойкових пробах (крок 2,5 - 10см) встановлено, що викидонебезпечність окремих вугільних пачок в пласті зумовлена вертикальною мінливістю ступеня метаморфізму, яка досягає 2-3 марок, і це потрібно враховувати при прогнозі викидонебезпечності шахтопластів у встановлених межах метаморфізму вугілля, щоб уникнути помилок. Дослідження і аналіз кореляційних петрофізичних звязків між основними показниками викидонебезпечності, які характеризуються структурними і речовинними особливостями вугілля і його стану (гірничий тиск і газ), і геофізичними параметрами, виміряними в свердловинах (електричний опір, природна і наведена радіоактивність, сила струму, зміна діаметру свердловини), показали, що між ними існують стійкі і однозначні петрофізичні залежності (коефіцієнти кореляції 0,4 - 0,7 при довірчому інтервалі надійності 0,9 - 0,95 і рівні значущості не менше 0,75).
Вывод
Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій виконано теоретичне узагальнення і вирішення значної прикладної проблеми підвищення надійності та інформативності прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів шляхом створення петрофізичних основ технології прогнозування, що має важливе народногосподарське, соціальне та галузеве значення.
В процесі виконання робіт отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати: 1. Обгрунтовані необхідність, технічні можливості і економічна доцільність створення технології прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів на основі системного і інформаційного аналізу їх петрофізики, автоматизації та обліку конкретних гірничо-геологічних умов шахти (літологія, фації і тектоніка).
2. Виявлені інформативні показники викидонебезпечності вугілля, що характеризують його структурні, сорбційні і речовинні особливості, які визначаються експресними фізичними методами (оптичний, рентгеноструктурний, електронно-парамагнітний резонанс) на малих пробах, що відбираються в процесі геофізичних досліджень вугільних пластів в свердловинах.
3. Вперше встановлено, що тріщинуватість вугілля, яка визначається оптичним і електронно-оптичним методами в каротажних бойкових пробах, тісно корелюється на мікро- і макрорівнях (коефіцієнти кореляції більше 0,75) і є інформативним показником викидонебезпечного стану вугільних пластів.
4. Вперше встановлено, що мінімальна маса вугілля з бойків, якими опробуються пласти в геологорозвідувальних свердловинах, характерна для викидонебезпечних вугільних пластів з максимальним ступенем порушеності (тріщинуватості) вугілля. На цій основі розроблений і впроваджений експрес-метод прогнозу: вугільний пласт, опробуваний бойками, з виходом вугілля із середньою масою u 2г до безпечних (авторське свідоцтво № 1219825, СРСР).
5. Вперше 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 викидонебезпечності вугільних пластів.
6. Рентгенографічним методом в дискретних бойкових пробах (крок 2,5 - 10см) встановлено, що викидонебезпечність окремих вугільних пачок в пласті зумовлена вертикальною мінливістю ступеня метаморфізму, яка досягає 2-3 марок, і це потрібно враховувати при прогнозі викидонебезпечності шахтопластів у встановлених межах метаморфізму вугілля, щоб уникнути помилок.
7. Методом ідентифікації мінеральних компонентів при рентгенографічному аналізі вперше встановлено, що мінеральні компоненти в безпечних за викидами шарах і пластах в цілому більш витримані за своїм складом і представлені в основному глинистими мінералами (каолініт, монтморилоніт і т. ін.), які відіграють роль пластифікаторів і знижують викидонебезпечність пласта.
8. Дослідження і аналіз кореляційних петрофізичних звязків між основними показниками викидонебезпечності, які характеризуються структурними і речовинними особливостями вугілля і його стану (гірничий тиск і газ), і геофізичними параметрами, виміряними в свердловинах (електричний опір, природна і наведена радіоактивність, сила струму, зміна діаметру свердловини), показали, що між ними існують стійкі і однозначні петрофізичні залежності (коефіцієнти кореляції 0,4 - 0,7 при довірчому інтервалі надійності 0,9 - 0,95 і рівні значущості не менше 0,75).
9. Встановлено, що електричний опір, наведена радіоактивність і кавернозність у викидонебезпечних зонах вугільних пластів збільшуються за рахунок підвищення їх порушеності - тріщинуватості, газоносності і зниження вологості, а природна радіоактивність знижується за рахунок зменшення вмісту глинистих мінералів в золі. Ці закономірності дозволили створити петрофізичну основу прогнозу викидонебезпечності, яка базується на багатомірних математичних моделях викидонебезпечності вугільних пластів.
10. На основі вивчених петрофізичних звязків виконана оцінка інформативності геофізичних параметрів основних показників викидонебезпечності вугілля. Вперше встановлено, що всі параметри стандартного комплексу каротажу вуглерозвідувальних свердловин інформативні і можуть бути використані для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів в багатомірних статистичних моделях. Багатофакторна природа петрофізичних взаємозвязків показників викидонебезпечності вугільних пластів і параметрів каротажу стала основою для вибору оптимальної математичної моделі у вигляді полінома другого степеня без змішаних членів. Ця модель отримана внаслідок застосування методів регресійного аналізу, реалізованих компютерними програмами.
11. Сформульовані основні вимоги до створення і вибору алгоритмів і програмних засобів для автоматизованого прогнозу викидонебезпечності на основі багатомірних регресійних залежностей і принципів розпізнавання образів, які дозволяють вести підготовку вхідних геолого-геофізичних даних для визначення показників викидонебезпечності і комплексного критерію "Вв". Розроблені два комплексних пакети алгоритмів і програм, що дозволяють безперервно в розрізах свердловин вести визначення викидонебезпечності, будувати основу прогнозного розрізу і здійснювати виведення результатів у числовій і графічній формах.
12. На основі аналізу можливостей сучасних програмних продуктів Statistica v.5.0, MATHCAD 7.0 Pro, Surfer v.6.04 і ГІС-технологій (пакет ARCVIEW v.3.1) розроблено узагальнений модуль для прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід. Модуль реалізується в будь-якому варіанті систем ГІС-технологій при створенні єдиного стандарту для вирішення задач гірничого виробництва.
13. На основі проведених досліджень петрофізичних взаємозвязків показників викидонебезпечності вугілля і геофізичних параметрів каротажу розроблена методика прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів на стадіях детальної розвідки геологічних дільниць, дорозвідки шахтних полів, будівництва і експлуатації шахт. Відносна похибка визначення комплексного критерію викидонебезпечності "Вв" за геофізичним даними - не більше 20% при надійності прогнозу викидонебезпечності не менше 85%.
14. Проведений комплекс досліджень з розробки методу прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів і вміщуючих порід (спільно з ІГД ім. О.О. Скочинського і ВО "Укрвуглегеологія") та його промислові випробування в Донецькому басейні склали основу для розробки "Временного руководства по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассейне", яке увійшло в "Инструкцию побезопасному ведению горных работна пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (розд.2, п.2.1.2), М: ІГД ім. О.О. Скочинського, 1989.
15. З урахуванням модернізованої системи автоматизації розроблено "Временное методическое руководство для прогнозирования выбросоопасности угольных пластов в Донецком бассейне на основе геолого-геофизических данных" (1992 р.), яке затверджене в установленому порядку на рівні галузі.
16. Розроблена комплексна технологія прогнозування викидонебезпечності на автоматизованій основі, яка реалізована в умовах шахти в режимі відкритого моніторингу. Така технологія прогнозування викидонебезпечності вугленосного масиву шахт значно підвищує достовірність прогнозу на стадії завершення геологорозвідувальних робіт, а при обєднанні його з локальним і поточним прогнозами розширює можливості оперативного коректування отриманих результатів в процесі ведення гірничих робіт.
17. Результати випробування розробленої технології показали, що викидонебезпечність вуглепородного масиву на регіональному і локальному рівнях залежить від його літолого-фаціальних особливостей. Вперше встановлено, що із збільшенням відносного вмісту щільних кварцевих пісковиків з аномальними міцністю (?ст > 75МПА ?р > 5МПА) і пружними властивостями (Ед > 30ГПА) у вуглепородному масиві підвищується його фізико-механічна жорсткість та напружений стан, які сприяють формуванню викидонебезпечного стану вугілля.
18. Всі основні методичні розробки дисертації впроваджені на геологічних і гірничих підприємствах Донецького (дільниці розвідки: Брагинівська, Бутівська, Успенська-Південна; шахти ім.Ізотова, Комсомолець, ім.Леніна, ім.Гагаріна, ім.Ворошилова, ім.50-років СРСР - ВГО "Донбасгеологія", "Луганськгеологія", ВО - "Артемвугілля", "Краснодонвугілля"), Львівсько-Волинського (шахта Тягловська 1, Любельська площа - ВГО "Захвуглегеологія"), Печорського (шахти: Воркутинська, Заполярна і Північна - ВО "Воркутавугілля") і Карагандинського (дільниця розвідки Саранська-Глибока - ВГО "Центрказгеологія", ВО "Карагандавугілля") басейнів. Реальний економічний ефект від впровадження розробок автора, тільки на семи з названих шахт, становить 201,4тис. крб. (в цінах до 1991р.).
Список литературы
1. Воркутский угленосный геолого-промышленный район: структура запасов и направления комплексного освоения / Гранович И.Б., Дедеев В.А., Степанов Ю.В., Ананьева Н.И., Гончаренко В.А., Данилов В.П., Зимаков Б.М., Зимовец А.М., Подмарков А.В., Родионов Н.Г.-Сыктывкар: Коми научн. центр УРО Российской АН, 1994.-272с.
2. Забигайло В.Е., Гончаренко В.А. Временное методическое руководство для определения основных геологических показателей выбросоопасности горных пород в Донецком бассейне по результатам геофизических исследований углеразведочных скважин/Мингео СССР, АН УССР.-Днепропетровск: ИГТМ АН УССР, 1985.- 60с.
3. Временное руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассейне / Иванов Б.М., Суровцев Б.Г., Забигайло В.Е., Гончаренко В.А., Грач Г.М., Суровцев В.Г., Рогозина А.И./Минуглепром СССР, Мингео СССР- М.:ИГД им. А.А. Скочинского, 1989.- 48с.
4. Гончаренко В.А., Горбачева Г.Н. Внедрение методики прогноза выбросоопасности горных пород по геофизическим данным // Сб. науч. тр. ИГТМ АН УССР "Динамические проявления горного давления".- К.: Наук. думка, 1980.- С.118-120.
5. Гончаренко В.А., Подрезенко И.Н. Оценка выбросоопасности пород по методу регионального прогноза // Выбросоопасность горных пород Донбасса / В.Е. Забигайло, В.В. Лукинов, А.З. Широков.- К.: Наук. думка, 1983.- С.245-271.
6. Гончаренко В.А. Опыт прогнозирования выбросоопасности горных пород в Донбассе на основе геофизических исследований геологоразведочных скважин // Сб. науч. тр. ИГТМ АН УССР "Геомеханика управления состоянием напряженного газонасыщенного массива".- К.: Наук. думка, 1985.- С. 62 - 66.
7. Гончаренко В.А., Дяконюк В.А., Мирер С.В. Оценка геологических показателей выбросоопасности горных пород // Безопасность труда в промышленности.-1987.- № 3. - С. 39 - 40.
8. Гончаренко В.А., Дяконюк В.А. О связи акустических параметров и геологических показателей выбросоопасности пород // Уголь Украины.- 1987.-№ 4.- С. 38 -39.
9. Забигайло В.Е., Поляшов А.С., Гончаренко В.А., Козлов С.С., Пимоненко Л.И., Сахневич Н.В., Стасенко О.Д., Слободянникова В.К.,Дрожжа Т.М., Бурчак А.В., Барановский В.И., Попозогло Н.И. Опытно-экспериментальная проверка метода прогноза выбросоопасности угольных пластов по геологоразведочным данным, основанного на структурных особенностях углей // Геология и геохимия горючих ископаемых.- К: Наук. думка, 1990.- Вып.75.- С.8-16.
10. Забигайло В.Е., Гончаренко В.А., Лукинов В.В., Явный П.М. О проблеме выбросоопасности песчаников на Тягловском угольном месторождении Львовско-Волынского бассейна // Доклады АН УССР. Серия Б. Геол., хим. и биол. науки.- 1990.- № 6. С.12-13.
11. Гончаренко В.А., Лукинов В.В., Явный П.М. К прогнозу выбросоопасности песчаников по геолого-геофизическим данным на поле проектируемой шахты "Тягловская 1" в Львовско-Волынском бассейне // Уголь.- 1991.- № 9.- С.39 - 43.
12. Забигайло В.Е., Гончаренко В.А., Пимоненко Н.А., Поляшов А.С. Прогноз выбросоопасности угольных пластов по данным бойкового опробования // Разведка и охрана недр.-1991.- № 2.- С.31-32.
13. Гончаренко В.О., Пімоненко Л.I., Сахнєвіч Н.В., Явний П.М., Бабко-Малий О.С. Геолого-геофізичні принципи прогнозу малоамплітудної тектоніки шахтних полів у різних районах Донбасу //Геологія і геохімія горючих копалин. - 1992. - №4(8).- С.45 - 48.
16. Лукинов В.В., Гончаренко В.А., Пимоненко Л.М., Бородулин М.А., Гейко Т.С., Стовас А.М. Основы сейсмологического метода прогноза тектонической нарушенности и его опробование // Уголь Украины.- 1998.- № 2.- С.48 - 50.
17. Гончаренко В.А. Оценка горно-геологических условий угольных месторождений Донбасса в новых экономических условиях на основе геолого-геофизической информации // Сб. науч. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998.- № 8.- С.15 - 18.
18. Гончаренко В.А. Основы геолого-геофизического метода определения газоносности угольных пластов в Донбассе // Сб. науч. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998.- № 9.- С.156 - 159.
19. Гончаренко В.А. Определение основных геологических показателей выбросоопасности угольных пластов по геофизическим данным // XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторожд. полезн. ископаемых: Сб. науч. тр. НГА Украины. № 3, Том 2 "Геология полезн. ископ. и технол-я разведки".- Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998.- С.212 - 214.
20. Гончаренко В.А. Совершенствование прогноза выбросоопасности угольных пластов на стадии геологоразведочных работ // Сб. науч. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998.-№ 10.- С.30 - 35.
21. Гончаренко В.А. Решение проблемы прогноза выбросоопасности угольных пластов и песчаников на перспективных месторождениях Львовско-Волынского бассейна // Сб. науч. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998.-№ 10.- С.79 - 84.
22. Гончаренко В.А. Экспресс-метод оценки выбросоопасности угольных пластов бассейна // Сб. науч. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1999.- № 15.- С.132- 134.
23. Гончаренко В.А. Петрофизическая основа прогноза выбросоопасности угольных пластов и пород в Донецком бассейне // Сб. науч. тр. НГА Украины. № 6, Том 1"Геология полезн. ископаемых".- Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999.- С.104 - 107.
24. Гончаренко В.А. Оценка выбросоопасности угольных пластов на основе классификации их каротажных параметров // Науковий вісник НГА України.- Дніпропетровськ, 2000.-№ 4.- С. 8 - 9.
25. Лукинов В.В., Пимоненко Л.И., Гончаренко В.А. Концепция формирования горно-геологических условий угольной шахты после ее закрытия // Науковий вісник НГА України.- Дніпропетровськ, 2000.-№ 4.- С. 23 - 24.
26. Гончаренко В.А., Бабко-Малый А.С., Свистун В.К. Применение акустических методов исследования скважин при изучении горно-геологических условий разработки месторождений // Горная геофизика: Часть I / Ин - т горн. механ. им. Г.А. Цулукидзе АН Грузинской ССР.-Тбилиси , 1989.- С.44 - 47.
27. Гончаренко В.А., Пимоненко Л.И., Сахневич Н.В. Возможности прогноза малоамплитудной тектоники угольных месторождений Донбасса на основе геолого-геофизических данных // Сб. науч. статей / Евро-Азиатское геофиз. общество. - М., 1993. - С.34 - 36.
28. Лукинов В.В., Гончаренко В.А., Лишин В.П., Хлопцев В.М., Черненко Л.М. Поиски и оценка природных и техногенных залежей газа на угольных месторождениях с помощью геолого-геофизических методов // Сб. науч. статей / Евро-Азиатское геофиз. общество.- М., 1993.- С.73 - 77.