Материалы

03апреля
2016

Технология наземной опережающей сейсмической разведки (НОСР) шахтных полей проектируемых, строящихся и действующих шахт на угольных месторождениях России.

Авария 25.02.2016 г. на шахте «Северная» в Печёрском угольном бассейне заставила автора этой статьи поделиться долговременным опытом предшествующих работ по изучению угленосного массива методами наземной опережающей сейсмической разведки (НОСР) с целью определения зон деформированных горных пород для опережающего проектирования горных выработок в шахтах.

Опережающее выявление участков деформированных пород и выявление блоков ненарушенных пород является обязательной процедурой в проектируемых, строящихся и эксплуатируемых угольных шахтах в зарубежных угледобывающих странах, таких как ФРГ, США, Великобритания, Австралия, Франция, Польша, Венгрия, Румыния, Индия и др.

0b816587b60c04d5cdcec57609a149e8.jpg


1.  1.Введение

Опережающая наземная сейсморазведочная технология применяется всегда в комплексе с разведочным бурением. По результатам комплексирования этих методов строятся геологические карты, на которых выявляются зоны ненарушенных и нарушенных пород. Затем разрабатываются проекты горных планов, на которых отображаются участки для благоприятного (без аварийного) ведения горных работ.

Технология НОСР была разработана и внедрена  на угольных месторождениях СССР (а впоследствии и в РФ) единственной в стране лабораторией угольной сейсморазведки ВНИИГеофизики МИНГЕО СССР (зав.лаб к.г-м.н Козельский И.Т), созданной в 1975 году по инициативе начальника Управления геологоразведочных работ на угольных месторождениях МИНГЕО СССР д.г.-м. н.  Погребнова Н.И. и его заместителя к.г-м.н. Череповского В.Р., а также по инициативе начальника управления геофизических работ МИНГЕО СССР д.т.н. Зайченко В.Н.

После успешного внедрения этой технологии на угольных шахтах Донбасса в рамках Министерства угольной промышленности СССР и в рамках компании «Росуголь» было образовано частное предприятие НПП «ТОО Углегеотехнология» (1993 г.) по инициативе президента компании «Росуголь» д.т.н. Зайденварга В.Е.

Основной задачей НОСР на угольных месторождениях являлось выявление малоамплитудных разрывных нарушений в углях и пластах вмещающих горных пород и связанных с ними зонах, опасных по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам.

Прежде чем перейти к рассмотрению сейсмогеологической модели малоамплитудных разрывных нарушений и связанных с ними зон, опасных по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам вмещающих пород, рассмотрим сейсмический разрез, полученный на одном из профилей на шахтном поле в Донбассе (Рис 5).

5_.jpeg

На рисунке 5а показаны блок I – ненарушенные породы (зелёные оси синфазности), блок II - нарушенные породы.  На рис. 5в показаны одиночные разрывы пластов угленосной толщи.

 

1.     2. Сейсмогеологическая модель малоамплитудных разрывных нарушений и связанных с ними зон, опасных по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам вмещающих пород.

3а3б.jpeg

Разрывное нарушение является объёмным телом с объёмом сопровождающих трещиноватых пород (объём около 60 м3 для разрыва амплитудой 1 м). Разрыв имеет сместитель и крылья –опущенное и приподнятое для сброса и взброса (рис.3а). Этим разрывным структурам соответствуют сейсмические разрезы (фрагменты разрезов на рис.3б).

У сброса вблизи сместителя происходит уменьшение пластовой скорости в обоих крыльях (рис 3а).

У взброса в одном крыле пластовая скорость уменьшается  и увеличивается в другом крыле (рис 3а).

Соответственно на рис 3б показаны фрагменты сейсмических разрезов сброса и взброса.

1.5_.jpeg


На рис 1.5 изображена пространственная  сейсмогеологическая модель изменения пластовых скоростей для модели сброса и взброса. Вертикальные сечения пластовых скоростей для сброса и взброса показаны на сечениях 1-1, 2-2, 3-3 для сброса и сечениях 1-1(штрих), 2-2 (штрих), 3-3(штрих) для взброса.

Необходимо отметить, что в устье разрывов наблюдается увеличение величины пластовых скоростей,  что является признаком увеличения давления в устье разрывов. Это может быть причиной наличия зон, опасных по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам вмещающих пород.

7-_.jpeg


На рис 7 показаны сейсмогеологические фрагменты сейсмических разрезов для сбросовых (рис7а) и взбросовых (рис7б) структур.

 

1.    3. Сейсмогеологическая модель зон опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Горные НИИ разработали горно-технические модели процессов внезапных выбросов и газа, что позволило создать способы предотвращения аварий, связанных с внезапными выбросами угля и газа на шахтах.

Так, например, дегазация забоев шахт при добыче угля осуществляется проветриванием забоев  горных выработок, а предупреждение выбросов угля осуществляется посредством обводнения  угольного пласта (закачивание воды в пробуренные в угольном пласте скважины).

Автор предлагает по данным НОСР (по сейсмическим разрезам) опережающим порядком выявлять в массиве зоны, опасные по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам вмещающих пород, используя при этом сейсмогеологические модели малоамплитудных разрывов и зон интенсивной трещиноватости.

Необходимо отметить,  что внезапные выбросы происходят в углях высокой степени  метаморфизма (угли марки Ж (жирные и марки К (коксующиеся), залегающих на глубинах 400-700м.  В углях низкой степени метаморфизма (марки Б (бурые) и марки Д (длиннопламенные) внезапные выбросы происходят редко или не происходят вообще.

Ниже мы покажем сейсмические разрезы, на которых видны деформации углей и горных пород, по которым можно идентифицировать зоны, опасные  по внезапным выбросам угля и газа.

Так на сейсмических разрезах, показанных  на рис 5а показаны  участки ненарушенных пород – блок I (зелёный цвет) где возможно проведение горных работ и зоны  нарушенных пород – блок II и зоны сильно нарушенных пород блок III(оранжевый цвет), залегающих на глубинах ниже 400м.

Указанные на блоке II и блоке III нарушенные и сильно нарушенные породы, а также одиночные зоны разрывных нарушений, как зоны опасные по внезапным выбросам, могут быть оконтурены на горных планах и не планироваться к отработке.

 

2.    4. Кванто-физические модели зон опасных по горным ударам вмещающих пород.

 

В настоящее время горные удары рассматривают как внезапное опускание кровлеугольных пластов. Однако,  энергия, которая  высвобождается при горных ударах гораздо больше энергии, которая высвобождается при разрущении горных выработок.

Редкие снимки горных выработок,  подвергшихся горным ударам, показывают разрушительные последствия, что требует более серьёзного исследования причин высвобождения огромной энергии при горных ударах вмещающих пород.

Автор данного доклада позволил себе предложить гипотезу модели зон опасных по горным ударам пород, построенную на результатах НИР, проведённых в институте физики твёрдого тела АН СССР при разработке теории разрушения твёрдого тела.

Так, в основе разработки модели разрушения твёрдого тела кристаллов, при внешнем давлении на кристалл в нём образуются дефекты, которые перемещаются в межплоскостное пространство кристалла и при дальнейшем давлении дефекты продолжают перемещаться. Так как дефекты кристаллической рещётки являются электрически заряженными (т.е. являются основным носителем массы (m)тела на микроуровне. Известно, что при деформации кристаллов кварца на его поверхности образуется электрический заряд (т.е. пьезо-эффект).

Используя теорию разрушения твёрдого тела, мы сформулировали следующую кванто-физическую гипотезу процесса горного удара.

В горном массиве пласта угля в кровле и подошве находятся пласты кварцевых песчаников. В кварцевых кристаллах, слагающих песчаники, происходят следующие кванто-физические процессы: при внешнем давлении на кристаллы кварца начинается деформация кристаллической решётки. Вследствие чего происходит большое количество дефектов (ионов), которые перемещаются в сторону горной выработки.

В момент изменения величины горного давления дефекты одновременно (когерентно) скачкообразно перемещаются в сторону, обладающую  минимальному градиенту горного давления. По закону Эйнштейна E=mc2 (где Е – энергия, м – масса дефекта, с – релятивистская скорость, т.е скорость близкая к скорости света). Так при когерентном движении дефектов  происходит высвобождение огромного количества энергии, приводящее к явлению, называемому «горный удар».

При перемещении дефектов создаётся суммарное электромагнитное поле (пьезоэффект), которое может привести к взрыву газа, образующегося при разрушении угольного пласта в связи с процессом «горного удара», что приводит к внезапному выбросу угля и газа и возможному возникновению пожара.

Шахтёры, работавшие в забое, наблюдали, что перед возникновением внезапного выброса угля и газа в глубине массива слышны удары, что может подтверждать предложенную гипотезу модели горного удара.

Необходимо отметить, что предлагаемая гипотеза модели горного удара имеет дополнительные  условия возникновения горного удара - когда пласты песчаников находятся в «ждущем режиме», т.е. кристаллы кварца деформированы внешним давлением с образованием дефектов кристаллической решётки.

6_.jpeg

На сейсмических разрезах (рис.6) на глубинах более 500 метров выявлены следующие деформационные эффекты:

-        -  Разрывные структуры

-       -  Обширные зоны нарушения осей синфазности  (оранжевый цвет) (рис.6)

11_.jpeg

11__.jpeg

-        -  Увеличение горизонтальных спектров скоростей (рис.11)

10_.jpeg

10__.jpeg

-        - Расширение горизонтальных пластовых спектров частот (рис.10)


Что может соответствовать наличию зон опасных по горным ударам.

При наземной сейсморазведке можно с поверхности получать сейсмические материалы (спектры вертикальных скоростей), на которых выявлять глубины со скоростями, неблагоприятными для ведения горных работ.

1.2_.jpeg

Так на рис.1.2 показаны вертикальные спектры скоростей, где по графику б3 можно определить скорости, равные 3-5 км/с.  По нашему предположению этот участок является бесперспективным. Для строительства шахты участок может быть опасным по выбросам и горным ударам (участок Саранский, Карагандинского угольного бассейнва (угли марки К (коксовые), в кровле которых могут располагаться удароопасные пласты песчаников.)

Удароопасными также могут быть участки, показанные на рис.5,7, 6 (см.выше).


Методичка.jpeg


В методическом руководстве «Изучение малоамплитудных разрывных нарушений в угленосных отложениях методами сейсморазведки» (ВНИИГеофизика, 1985), выделены 3 категории нарушенности массива: I-ненарушенный массив (блок), II-слабонарушенный массив (блок), III-интенсивно нарушенный массив (блок) (рис.5). Массивы категории II и III также определяются, как зоны концентрации малоамплитудных разрывов (ЗКМР), а также как зоны выбросоопасные и удароопасные.

На рис.6 показаны примеры выявления массивов ненарушенных пород (хорошее прослеживание отражающих горизонтов (зелёный цвет) и интенсивно нарушенных пород (хаотическая волновая картина – оранжевый цвет)

Классификация угленосных массивов по данным сейсморазведки позволяет принять следующие стратегические решения по освоению месторождений:

-        По блокам категорий I и II : планировать наземную сейсморазведку и буровую разведку для проектирования и строительства шахт;

-        По блокам категории III: отнесение соответствующих участков к неперспективным для дальнейшего освоения.

Таким образом, с учётом вышеизложенного по результатам использования  комплекса сейсморазведочных материалов, буровой разведки и геофизических исследований скважин (ГИС), можно с определённой степенью вероятности по выявленным блокам интенсивно нарушенных пород (блок III) и зонам одиночных разрывов пластов определять блоки и зоны, опасные по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам и рекомендовать указанные блоки (блок III) к исключению из процесса ведения горных работ.

 

1.    5. Примеры отображения нарушенных и ненарушенных пород, одиночных разрывов пластов и зон концентрации малоапплитудных разрывов.

 

При проведении опережающих сейсмических работ на шахтных полях получены следующие результаты (сейсмические разрезы).

25_.jpeg

 

ДОНЕЦКИЙ БАССЕЙН

Участок Садкинский-Восточный, Профиль 4.

На разрезах показаны зоны нарушенных пород (оранжевый цвет), участки с прослеживанием малоамплитудных разрывов (МР) и зон их концентрации (ЗКМР)(красный цвет),  идентифицированные как зоны выбросоопасные и удароопасные (рис.25). Также наблюдаются участки с ненарушенным регулярным прослеживанием осей синфазности (зелёный цвет), идентифицированных как ненарушенные участки с пластами, пригодными к проведению горных работ.

27_.jpeg

Участок Свидовский. Профиль 36.

На рис. 27 показан фрагмент сейсмического разреза с наличием разрывных нарушений (МР) и зон нарушенных пород, идентифицируемых как зоны потенциально выбросоопасные и удароопасные.

8_.jpeg

Участок Свидовский Профиль 30.

На рис.8 показан сейсмический разрез с наличием разрывного нарушения, идентифицируемого как зона потенциальной выбросоопасности и удароопасности. Участок с регулярным прослеживанием осей синфазности (зелёный цвет) идентифицируется наличием ненарушенных пластов углей и вмещающих их пород. Возможно проведение горных работ.

17_.jpeg

КУЗНЕЦКИЙ БАССЕЙН

Соколовское угольное месторождение. (Рис.17)

На рис 17 показана схема сейсмических профилей (красный цвет).

18_.jpeg

 Соколовское месторождение Профиль 19

На рис 18 показана часть сейсмического разреза. В правой части разреза наблюдается сброс и далее сложная складчатая система с нарушенными породами. Очевидно, на этом участке не будут проводиться горные работы. В левой части разреза наблюдается участок с регулярным прослеживанием пластов (зелёный цвет). Очевидно, этот участок будет проектироваться к ведению горных работ.

19_.jpeg


Соколовское месторождение. Профиль 5

На рис.19 на верхнем сейсмическом разрезе в его левой части наблюдается регулярное прослеживание пластов (зелёный цвет).  Очевидно, эта часть участка будет подлежать проведению горных работ.

21_.jpeg

 

 

ПОДМОСКОВНЫЙ УГОЛЬНЫЙ БАССЕЙН

Шахта Бельковская. Профиль 4

На рис.21 на сейсмическом разрезе в центральной части профиля наблюдается обширный участок нарушенных пород, идентифицируемый как зона карстового нарушения. Эта зона непригодна к проведению горных работ.

24_.jpeg

 

Шахта Бельковская. Профиль 4.

На рис. 24 на сейсмическом разрезе в верхней его части наблюдается регулярное прослеживание пласта. Очевидно, на этом профиле будут проводиться горные работы так как пласт не осложнён нарушениями.

1.3_.jpeg


ТУРГАЙСКИЙ БАССЕЙН

Кызылтальское месторождение. Угли марки Б2 (бурые)

Рис 1.3а. Это месторождение очевидно уже в разработке, так как угли марки Б2 не опасны по выбросам угля и газа, породы не удароопасны.

 

КАРАГАНДИНСКИЙ УГОЛЬНЫЙ БАССЕЙН

Саранский участок. Угля марки К (коксующиеся)

Рис.1.3б. На сейсмическом разрезе наблюдается разрывное нарушение. Кроме этого разработка шахты с углями марки К относится, очевидно, к отнесению этой шахты к категории опасной по внезапным выбросам и в будущем не будет разрабатываться.

Улухемский бассейн. Угли марки Ж(жирные)

Рис 1.3в. На сейсмическом разрезе наблюдается регулярное прослеживание углей и вмещающих пород. В разрезе отсутствуют зоны нарушенных пород.  Малые глубины залегания пластов и невысокая степень метаморфизма (угли марки Ж) свидетельствуют о том, что в случае вовлечения этого месторождения в разработку на этой шахте не ожидается аварийного состояния горного массива.

1.   6. Пути повышения эффективности применения опережающей наземной сейсмической разведки угольных месторождений на основе комплексирования результатов наземной сейсморазведки с разведочным бурением и геофизическим исследованиями скважин (ГИС).

Проектирование строительства шахт основано на геологических материалах (картах разрезов), получаемых по данным комплексирования наземной сейсморазведки, бурения и геофизических исследований скважин.

12_.jpeg

На рис 12в показан геологический разрез, построенный по данным комплексирования наземной сейсморазведки, бурения и геофизических исследований скважин.

Как видно из рис. 12в показаны пласты углей и пород между скважинами, но не видны нарушения и разрывы пластов.

На рис. 12г показан сейсмический разрез, на котором видны нарушения и разрывы пластов, а также участок с ненарушенным пластом (зелёный цвет), где можно проектировать горные работы.

На рис. 12д показан результативный пример комплексирования данных бурения и опережающей наземной сейсморазведки, где на разрезе видны нарушения (оранжевый цвет) и участки с ненарушенными угольными пластами, где можно проектировать проведение горных пород.

11_.jpeg

11__.jpeg


 На рис11а показан сейсмический разрез между скважинами. На сейсморазрезе показано нарушение и взбросовые структуры угольного пласта около взбросового нарушения.

На рис11б показан результативный разрез, построенный по данным бурения и сейсморазведки.

26_.jpeg

На рис26а,б показаны сейсмические разрезы с выявленными разрывными нарушениями.

А на рис26в,г показаны сейсмогеологические разрезы, построенные по данным бурения и наземной сейсморазведки.

Таким образом, мы можем сделать вывод о высокой эффективности работ по комплексированию разведочного бурения и опережающей наземной сейсморазведки для более объективного построения планов горных работ и указания на них нарушенных зон, где можно ожидать внезапные выбросы угля, газа и горные удары.

 

1.  7. Результаты применения технологии опережающей наземной сейсморазведки при разведке шахтных полей.

 

В предыдущем разделе мы убедились в целесообразности применения опережающей наземной сейсморазведки в комплексе с буровыми скважинами.

Понятие опережающая разведка применена как к опережению разведочных буровых работ, так и к опережению проектирования горных работ.

Рассмотрим результаты применения технологии опережающей наземной сейсморазведки в предшествующий период 1992-1996 гг на шахтных полях СССР и РФ.

-проведены работы в Кузнецком бассейне (на полях шахт Бутовская, Берёзовская, 5 шахтах Соколовского месторождения (7-я, Котинская, Соколовская, Тыхтинская, Камышанская), Донецком бассейне (на полях шахт Садкинская, Октябрьская-Южная, им. Газеты «Комсомольская правда»), Подмосковном бассейне (на полях шахт Западная, Подмосковная, Бельковская, Никулинская), Карагандинском бассейне.

10__.jpeg


На рис 10а.б.в приведены сейсмические разрезы, полученные на шахтных полях Донецкого и Карагандинского бассейнов. Выявлены зоны нарушенных пород и ненарушенных пластов (регулярное прослеживание осей синфазности). В пределах этих участков возможно безопасное проведение горных работ.


9_.jpeg

На рис 9 показан сейсмический разрез, полученный по данным сейсморазведки в Восточном Донбассе (участок Садкинский Профиль 4), на котором выявлены разрывные нарушения и предполагаемая зона концентрации напряжений.


20_.jpeg

На рис 20 показаны сейсмические разрезы, полученные в Кузнецком бассейне (Соколовское меторождение Профиль 6). На нижних сейсмических разрезах выявлены разрывные нарушения и зоны интенсивно нарушенных пород.

 

1.    8. Результаты опережающих сейсмических работ в западных странах.

 

Опережающие наземные сейсмические работы проводятся в обязательном порядке на всех угольных месторождениях во всех угледобывающих странах мира (США, Англия, Германия, Австралия, Польша, Чехия, Франция, Вьетнам и др.)

По данным журнала «Глюкауф» стоимость сейсмических работ в ФРГ составляет 50000 марок за 1 км профиля. На одном из международных горных конгрессов русскими специалистами Института горного дела им. Скочинского западным специалистом было сделано предложение о проведении совместных работ по разработке методов предсказания и борьбы с внезапными выбросами и горными ударами. На что западные специалисты ответили, что они не работают в шахтах с аварийным состоянием горного массива.


2.    9. Проект классификации шахт по степени их опасности.

 На основе вышеизложенных геофизических и горных данных предлагаем следующий проект классификации шахт по степени их опасности при разработке угленосных пластов.

1 класс.

Шахты не опасные по внезапным выбросам и горным ударам.

Шахты с линейными свойствами горных пород, где процессы деформации и разрушений подчиняются законам классической механики. Так, например, при встрече горных выработок с зоной нарушенных пород и углей происходит обрушение в горную выработку углей и пород, что может быть предсказано и исправимо. Как правило, на таких шахтах угольные пласты залегают на небольших глубинах (до 300-400м), зачастую имеют сравнительно малую степень метаморфизма углей (угли марок Б (бурые) и Д (длиннопламенные) и литогенеза (преобразования) вмещающих горных пород. На таких шахтах возможно опережающее применение наземной сейсморазведки в комплексе с буровым разведочным бурением, что позволяет выявлять зоны нарушенных пород и отображать их на горных планах с целью исключения и учёта их при ведении горных работ.

Как правило, такие шахты считаются не опасными по геодинамическим условиям и газовыделениям.

2 класс.

Шахты опасные по внезапным выбросам и горным ударам.

К шахтам опасным по внезапным выбросам и горным ударам относятся шахты с нелинейными свойствами пород. Как правило, такие шахты эксплуатируются на сравнительно больших глубинах (более 700 м) и имеют высокую степень метаморфизма углей (марки Г (газовые) и К (коксующиеся). Свойства пород в таких шахтах подчиняются законам квантовой физики (описано выше в разделе «Квантофизическая модель в удароопасных зонах»).

Т.е. с нашей точки зрения, если горная выработка подходит к нарушению в таком пласте, возможно возникновение горного удара и, следовательно, внезапного выброса угля и взрыв газа. Поэтому выявления по данным наземной сейсморазведки нарушений пластов обязательно, а также их отображение на горных планах и их учёт при ведении горных работ. Шахты 2-го класса являются опасными по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа.

01.jpeg


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для предприятий, которые будут осуществлять опережающие наземные сейсмические работы рекомендуется следующее методическое пособие «Изучение малоамплитудных разрывных нарушений в угленосных отложениях методами наземной сейсморазведки», которое разработано лабораторией угольной сейсморазведки ВНИИГеофизики, утверждено координационным советом по угольной геофизике и утверждено руководящими работниками Мингео СССР, согласовано с Министерством угольной промышленности СССР.

авторскоеСвидетельство.jpeg

Заранее благодарен за внимание и извиняюсь за некоторые неточности в понятиях горной технологии.

 

Автор - Козельский Игорь Тимофеевич, кандидат геолого-минералогических наук, бывший руководитель лаборатории угольной геофизики ВНИИГеофизики (1970-1996 г.г.), кавалер отраслевого знака Минуглепром СССР «Шахтёрская слава», кавалер отраслевого знака Мингео СССР «Почётный разведчик недр».

 

03 апреля 2016 г.

(первая суббота апреля – День Геолога)