Прогнозирование тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях

Фоменко, Николай Евгеньевич

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Прогнозирование тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях"

V МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО К^ ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ФОМЕНКО Николай Евгеньевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИИ МЕТОДАМИ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском геологоразведочном институте угольных месторождений (ВНИГРИУголь) Министерства природных ресурсов Российской Федерации

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.В.Якубовский

доктор геолого-минералогических наук, академик РАЕН В.Ф.Череповский

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.К.Хмелевской

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов (ЦНИГРИ)

Защита состоится 21 мая 1998 г в /5- 00 часов на заседании диссертационного совета Д.063.55.03 в Московской государственной геологоразведочной академии (МГТА) по адресу: 117873, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, аудитория 6-38 Тел./факс: (095)-438-14-38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТА Автореферат разослан ОЪ. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю.И.Блох

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При разведке и эксплуатации угольных месторождений одной из основных геологических задач является обнаружение и достоверный опережающий прогноз малоамплитудных разрывных нарушений, непредвиденная встреча с которыми при выемке угля существенно осложняет работу угольных шахт, тем самым увеличивая экономические затраты и соответственно стоимость угля. Эта проблема в наиболее острой форме проявилась при внедрении автоматизированных проходческих комплексов в 70-х годах и актуальна до настоящего времени, принимая в условиях рыночной экономики специфические формы.

Для решения задач изучения тектоники угольных месторождений на протяжении последних трех-четырех десятилетий разработано и опробовано большое количество методов и методик, многие из которых успешно применяются. Приоритетную роль играют геофизические методы, позволяющие получать объемную информацию при значительно низких по сравнению с бурением экономических затратах. Многолетняя практика показала, что при изучении тектонических нарушений на угольных месторождениях из комплекса геофизических методов наиболее информативными являются сейсморазведка и электроразведка. Последняя уступает сейсморазведке в глубинности, но является более оперативной, дешевой, легкодоступной для применения в скважинах и шахтах.

Проблемам разработки, совершенствования и применения методов скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях посвящена настоящая работа.

Цель работы - разработать новые, эффективные методы, способы и технологии скважинной и шахтной электроразведки, обеспечивающие повышенную достоверность изучения и прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях.

Основные задачи исследований.

1. Создать физико-геологическую основу применения новых скважин-ных и шахтных методов электроразведки с использованием выявленных специфических петрофизических характеристик разрывных нарушений, приразрывных зон и вмещающих угленосных пород и построенных по этим данным физико-геологических моделей (ФГМ).

2. Исследовать возможности пространственной физ:гческой фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина для разработки метода выявления и изучения тектонических нарушений в околоскважин-ном пространстве в комплексе с другими геолого-геофизическими методами.

3. Изучить особенности распространения радиоволнового поля в угленосных отложениях и в проводящих антрацитовых пластах; сконструн-

ровать малогабаритную шахтную аппаратуру; разработать технологии скважинной и шахтной радиоволновой томографии для выявления и прогнозирования тектонических нарушений и др. локальных объектов в массиве уг леносных пород.

Объекты и методы исследования. Объектами научных исследований являлись: а) система знаний петрофизических закономерностей угольных месторождений и построенных с их использованием ФГМ; б) система теоретических воззрений электроразведки; г) технологические системы разведки угольных месторождений. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретического анализа, математического и физического моделирования, а также натурных экспериментов в Донецком каменноугольном бассейне, на отдельных угольных месторождениях Кузнецкого бассейна, Средней Азии и Дальнего Востока.

Основные научные положения. В диссертации защищаются:

1. Методика оптимизации геологоразведочных работ с использованием петрофизических закономерностей приразрывных зон и разработанных новых методов скважинной и шахтной электроразведки, которые позволяют: а) целенаправленно формировать и исследовать физико-геологические модели объектов; б) осуществлять разработку, опробование и иерархическую увязку новых методов и рациональных технологий в условиях изменяющегося окружения; в) проводить в интерактивном режиме оптимизацию взаимных связей между двумя способами проникновения в угленосную толщу (бурением - геофизикой).

2. Объемные пстрофизические модели тектонических разрывных нарушений и угленосного массива пород в целом, отражающие выявленные эмпирические особенности: а) физические параметры закономерно изменяются в приразрывных зонах, состоящих из трещин смещения и измененных пород висячего и лежачего крыльев, в зависимости от степени преобразования угленосных пород; б) характеристики физических свойств в приразрывных зонах закономерно изменяются на разных стадиях лити-фикации в зависимости от типа разрывного нарушения (надвиг - сброс) и его амплитуды смещения, что позволяет корректировать типовые гсо-электрические модели и обеспечивает оптимизацию геофизических методов при полевых работах, обработке данных и прогнозировании тектонической нарушенное™.

3. Разработанный и доведенный до современного технологического уровня новый метод пространственной электрической фильтрации в сква-жинном варианте (МПЭФ-С), обеспечивающий селективное изучение нарушенное™ угленосных отложений: а) выявление разрывных нарушений в околоскважинном пространстве на всех стадиях поисков и разведки угольных месторождений; б) определение пространственного положения одиночных или серии субпараллельных разрывов; в) оценку особенностей

развития тектонических нарушений в околоскважинном пространстве путем многоуровневой интерпретации при кустовых и площадных сква-жшшых исследованиях. Технология полевых работ и обработки материалов МПЭФ-С включает применение двухзондовых регистрирующих установок, устройство малых питающих линий, цифровую регистрацию данных, вычисление аномальных отклонений индикационных параметров (коэффициентов корреляции, среднего квадратическото отклонения и др.).

4. Высокоэффективная методика изучения угленосных толщ и разработанная технология скважинной и шахтной радиоволновой томографии (РВМ-Т), основанные на сформированных по результатам теоретических и экспериментальных исследований квазилучевых моделях распространения электромагнитного поля, в том числе в проводящих пластах антрацитов, в диапазоне частот 0.02-1.3 МГц. Технология включает: а) применение специальных способов гальванического возбуждения и индуктивного приема в горных выработках, что позволяет просвечивать угольные целики на расстояниях 300-500 м при мощности генератора до 5 Вт; б) использование современной малогабаритной аппаратуры, обеспечивающей импульсный режим возбуждения, запись наведенных и фоновых значений в электронную записную книжку с последующим вводом данных в компьютер через стандартный интерфейс; в) томографическую обработку результатов квазилучевыми способами, достоверность которых подтверждается моделированием томограмм прямого и обратного вариантов и последующими проверочными скважинами и горными работами.

Обоснованность и достоверность научных положений доказываются: а) согласованностью новых теоретических и экспериментальных данных с современными достижениями отечественной и зарубежной угольной геофизики по прогнозированию тектонических нарушений в угленосных отложениях; б) опытом положительного использования авторских разработок другими исследователями; в) подтверждением по результатам экспериментальной проверки (буровыми и горными работами) полученных новыми методами прогнозных данных.

Наущая новизна. Впервые разработаны современные высокоэффективные технологии выявления и изучения тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки, в том числе:

1. На основании оригинальных методик и взятых в шахтах в зонах раз-рывпых нарушении образцов пород изучены петрофизические особ^Дш-'х/Т*! цриразрывных зон угленосных толщ и выявлены закономерности изменения физических свойств пород в зависимости от типа и амплитуды разрывных нарушений на разных стадиях преобразования пород. Это позволило обосновать типовые геолого-геофизические модели приразпывных зон, использующиеся при разработке методики полевых исследований, интерпретации геофизических наблюдений и геологическом истолковании.

2. В результате исследований физической фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина разработан и внедрен в производство новый метод пространственной электрической фильтрации в сква-жинном варианте, сущность которого заключается в экспрессной оценке тектонической нарушенное™ угленосной толщи в околоскважшшом пространстве путем сравнения кривых градиента потенциала поля при его разнонаправленном возбуждении вокруг ствола скважины. Метод вписывается в существующую технологию скважинных геолого-геофизических исследований, выполняется при заключительном каротаже.

3. На основании оригинальных воззрений и проведенных экспериментов разработаны технология скважинной радиоволновой томографии для выявления и изучения тектонических нарушений угленосных отложений в межскважинном пространстве и технология шахтной радиоволновой томографии для изучения антрацитовых угольных пластов в лавах перед их отработкой. Технологии предусматривают многоракурсные наблюдения и автоматизированную обработку данных экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Использование научных разработок позволяет:

- увеличить полноту и достоверность геологического прогноза тектонической нарушенности угленосных отложений на стадиях поисков, разведки и эксплуатации угольных месторождений;

- повысить экспрессность прогнозирования тектонической нарушенности и снизить затраты на производство работ;

- повысить экономическую эффективность и безопасность при разработке угольных месторождений.

Реализация работы. Основные научные положения и выводы диссертации в той или иной степени постоянно используются в производственных и научных углеразведочных и угледобывающих организациях России, Украины, Киргизии в соответствии с утвержденными и изданными нормативно-методическими документами:

1. Изучение тектоники угольных месторождений методами скважинной электроразведки (временные методические указания) /ВНИГРИУголь. - Ростов-на-Дону, 1988. - 55 с.

2. Методические рекомендации по изучению тектонической нарушенности в углеразведочных скважинах /Ш ШГРИУголь. - Ростов-на-Дону, 1988.-45 с.

3. Методическое руководство по скважинной электротомографии для изучения тектоники угленосных отложений /ВНИГРИУголь. - Ростов-на-Дону, 1991. - 57 с.

Внедрение разработок осуществлялось путем непосредственного участия автора в полевых испытаниях и производственных работах в Донец-

ком и Кузнецком бассейнах, на шахтах АО "Ростовуголь" и АО "Гуков-уголь".

Апробация. Основные теоретические, методические и практические результаты работы докладывались и обсуждались на четырех Всесоюзных угольных совещаниях (V - Ростов-на-Дону, 1977; VII - Ростов-на-Дону, Í 981; VIII - Ростов-на-Дону,1986; IX - Ростов-на-Дону,1991), на V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (г.Звенигород Московской обл.,1991), на Всесоюзной научно-технической конференции но прогнозированию горно-геологических условий в угольных шахтах (г.Шахты Ростовской обл., 1976), на Зональной научной конференции "Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых юга России" (г.Новочеркасск Ростовской обл.,1995), на выездной сессии межведомственного координационного Совета по угольной геофизике (г.Ростов-на-Дону,1994), в лекциях по курсам "Петрофизика" и "Электроразведка", читаемых автором на горно-геологическом факультете НГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 212 страницах, содержит 68 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 214 наименований.

Указанные разделы раскрывают поставленную проблему в следующей последовательности.

Введение содержит постановку задачи, заключающуюся в актуальности опережающего прогноза тектонической нарушенности угольных пластов, при решении этой задачи методы скважинной и шахтной электроразведки как экспрессные и достаточно дешевые позволяют существенно увеличить информативность наземной геофизики, разведочного бурения и экс-плутационной разведки.

В первой главе рассматривается применение скважинных и шахтных электроразведочных методов в общей системе разведки и эксплуатации угольных месторождений, иерархическая увязка геолого-геофизических методов, направление развития в изменяющихся условиях окружения.

Во второй главе изложены результаты изучения петрофизических особенностей угленосных отложений в приразрывных зонах с целью обоснования физико-геологических предпосылок применения геофизических методов при прогнозировании тектонической нарушенности угольных пластов.

В третьей главе обосновываются: а) сущность пространственной электрической фильтрации в скважпнном варианте, посредством которой к околоскважинном пространстве удается определять локальные возмущающие объекта типа разрывов в моноклинально-слоистой угленосной толще, б) технология экспериментальных исследований и интерпретации результатов МПЭФ-С, в) методика кустового и площадного использования

МПЭФ-С в комплексе с методами геофизических исследований скважин сейсморазведки и др. геофизических методов.

В четвертой главе показаны современные возможности и технологические аспекты методов скважинной и шахтной радиоволновой томографии, предпосылками для использования которых при прогнозировании тектонических нарушений в угленосных отложениях являются благоприятные условия распределения радиоволнового поля низких частот в диапазоне 0,01 -1 МГц, в частности, в антрацитовых электропроводящих пластах.

В заключении приводятся выводы по выполненной работе.

Исходные материалы и личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований и разработок, выполненных автором в течение более 25-летней работы в области угольной геофизики. За этот период соискатель был ответственным исполнителем 12 научных исследований (тем), направленных на разработку и совершенствование методов и технологий решения задач углеразведки.

Лично автором: 1) выдвинуты и воплощены идеи по изучению тектонически нарушенных зон в угленосных отложениях методами скважинной и шахтной электроразведки на основе глубокого изучения петрофизи-ческих особенностей приразрывных зон (отобрано и изучено более 1500 образцов углей и пород и выполнены геофизические исследования более чем в 150 углеразведочных скважинах и 40 шахтах), 2) развита концепция многоуровневого анализа при изучении тектонических нарушений с использованием геофизических методов и при интерпретации и истолковании экспериментальных наблюдений, 3) разработан новый метод объемной пространственой фильтрации в скважинном варианте и предложены конкретные технологические и конструкторские решения при его использовании, 4) проведены экспериментальные работы в угольных скважинах и шахтах радиоволновым методом и найден способ получения сигналов в пластах анграцитов на расстояниях более 500 м, 5) разработаны технологии скважинной и шахтной электроразведки для изучения тектонических нарушений на угольных месторождениях. Все это позволяет решить научную проблему на соответствующей методологической основе.

Петрофизические особенности пород угольных месторождений изучались под научным руководством проф. А.К.Матвеева и проф.

B.В.Гречухина при содействии и участии д-ра гсол.-мшг. наук Б.И.Воеводы, канд. гсол.-мин. наук И.Т.Козельского, канд. геол.-мин. наук А.А.Майбороды и др.

Методика МПЭФ-С разрабатывалась совместно с д-ром геол.-мин. наук Б.И.Журбицким, канд. техи. наук Э.Г. Порфилкиным, канд. техн. наук

C.В.Вонсовичем.

Технология скважинной и шахтной радиоволновой томографии разрабатывалась совместно с д-ром геол.-мин. наук Б.И.Журбицким, канд.

техн. наук Э.Г.Порфилкиным при участии канд. физ.-мат. наук С.В.Орлова, канд. физ.-мат. наук Д.Н.Карпинского, канд. техн. наук М.Д.Молева, горного инженера Л.И.Барановой.

На протяжении довольно большого периода работы в избранном направлении автор использовал помощь, советы, консультации и критику коллег. Непосредственное участие в совместных работах и помощь автору оказывали Л.И.Баранопа, И.В.Вербицкий, канд. техн. наук С.В.Вонсович, В.С.Гордеев, Л.Г.Пустоветова и др.

В процессе внедрения результатов НИР в производство содействие и помощь оказывали А.К.Литвин, А.М.Литвин, В.Н.Кошель, канд. гсол-мин. наук Я.Л.Гитлин,. канд. геол.-мин. наук М.Л.Хацкель, канд. геол.-мин. наук О .М.Харитонов, канд. геол.-мин. наук Н.С.Калинчин, канд. техн. наук М.Д.Молев, В.А.Солмин, канд. геол.-мин. наук А.К. Шаульский и др.

При выполнении и апробации НИР автор пользовался советами и консультациями академика РАЕН, д-ра геол.-мин. наук В.К) Занченко, д-ра физ.-мат. наук, проф. А.М.Лерера, д-ра. геол.-мин. наук, проф. Б.В.Смирнова, д-ра техн. наук, проф. В.В.Попова, д-ра техн. наук, проф. Б.П.Притчина.

Завершающий этап исследований и написание диссертации выполнены в лаборатории геофизических методов исследований угольных месторождений при содействии зав. лабораторией, д-ра геол.-мин. наук Б.И.Журбицкого.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕТОДАМИ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ ГЕОФИЗИКИ

1.1. Этапы и задачи прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях, объекты, цели

Задачи и объекты прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях определяются из содержания проблемы изучения тектоники угольных месторождений, которая формулируется требованиями угольной промышленности. Решение проблемы рассматр'.гвается в системе поисков, разведки и эксплуатации угольных месторождений со следующими методологическими элементами: 1) задачи и объекты прогнозирования; 2) исходные данные (информация); 3) методы и методики прогнозирования; 4) результаты прогноза, его оценка и практические рекомендации.

Задачи прогнозирования в соответствии с требованиями угольной промышленности, как известно, сводят ся к выявлению и детальному изучению всех тектонических нарушений ог крупных до мелких, которые при встрече с горными выработками существенно осложняют работу угольных шахт, вызывая непредвиденные и дополнительные затраты (переоборудование угледобывающих комплексов, прекращение работы лав и пр.). Соответственно объектами прогнозирования тектонических нарушений, где могут быть применены методы скважшшой и шахтной электроразведки, являются углеперспективные структуры, при поисках, разведке и эксплуатации которых применяется разведочное бурение и проходка горных выработок.

Исходная информация (задачи, объекты, физико-геологические предпосылки, применяемые и вновь разрабатываемые методы и методики) как методологический элемент формируется путем составления и анализа баз и банков данных с учетом взаимных связей.

Методы и методики скважинной и шахтной электроразведки могут соответственно быть как традиционными, так и вновь разработанными, и после их опробования, оценки на эффективность и включения в комплекс геолого-геофизических исследований увязываются в определенную иерархию, которая представляет собой малую подвижную систему или подсистему, учитывающую уровень разработок и круг поставленных и решаемых задач.

Результаты прогноза, его оценка и практические рекомендации являются последовательным процессом, который можно свести к анализу информативности и затрат в соответствии со схемой А.И.Рыбина: 1) поиск пути к решению поставленной задачи, где опробуют все и закономерностей между приростом информации и ростом затрат нет (стадия I); 2) выработка методики работ, включая оценку погрешностей измерений, в результате чего выявляется линейная зависимость между затратами и информацией (стадия II); 3) планирование и выполнение производственных работ, при проведении которых отношение между приростом информации и увеличением заграт начинает уменьшаться (стадия III); 4) остановка производственных работ в результате достижения порога "насыщения" (стадия IV).

Конечная продукция по прогнозированию тектонических нарушений представляет собой, как известно, качественную и количественную информацию, содержащуюся в отчетах, методических рекомендациях и др. документах. Эта информация вводится в базы и банки данных, и геологоразведочная или геофизическая организация может выступать на рынке с пакетом предложений.

1.2. Развитое методов скважинной и шахтной геофизики на угольных месторождениях, их возможности при изучении тектонических нарушений

Методы геофизических исследований в скважинах (Т ИС ) Показано, что по ГИС можно установить признаки разрывов: повторение или выпадение слоев, повышенную трещиноватость и др. Наиболее благоприятны условия, когда угленосная толща выражена стратиграфически выдержанными но всей разведываемой площади разрезами с яркой цикличностью, что характерно для Донецкого бассейна Но при всем этом методы ГИС, будучи привязаными к каждой конкретной скважине, позволяют получать дискретную информацию об уг леносной толще в точке ее пересечения и поэтому не гарантируют выявление всех разрывных нарушений при любой допустимой плотности разведочной сети, что доказано в начале 70-х годов в период интенсивной разведки угольных месторождении Г.И.Луговым, М.Л.Сперанским, Л.Л.Грачевым. Этот вывод стал своего рода толчком к постановке проблемы использования для изучения тектоники угольных месторождений объемных методов, в частности методов полевой, скважинной и шахтной геофизики. Тем не менее методы ГИС в комплексе с бурением дают весьма значительный объем информации о тектонике угольных месторождений, поэтому при разработке и совершенствовании методов и методик ГИС в круг обязательных задач входят вопросы выявления и прогпоза тектонических нарушений.

Большой вклад в разработку и применение методов ГИС для прогноза тектонических нарушений на угольных месторождениях внесли В.В.Гречухин, А.Ф.Михедько, С.А.Слепков, М.А.Сперанский, В.П.Лшшш,

A.М.Литвин, Э.П.Журбицкая и др.

В последние годы появились новые разработки в области ГИС, применение которых позволит повысить детальность изучения тектонических разрывов в разрезах скважин и надежность корреляционной увязки при по-строешш геолого-геофизических разрезов. К новым разработкам относятся: 1) каротаж высокоточных измерений магнитной восприимчивости; 2) индукционный наклономер; 3) акустический каротаж; 4) импульсный нейтронный каротаж и др.

Методы скважинной геофизики. Отмечено, что эти методы на угольных месторождениях в основном развиваются по двум разделам: сейсморазведке и электроразведке. Разрешающая способность используемых методов не всегда отвечает требованиям угольной промышленности.

Большой вклад в развитие и становление отечественной скважинной геофизики на угольных месторождениях получен в результате работ

B.Л.Шафарснко, Я.Л.Гитлина, В.Г.Бойко, А.М.Литвина, В.А.Меныиикова, В.А.Гаранина, В.Е.Крушша, М.Г. Фрейкмана и др.

Приоритетным направлением в семидесятых и восьмидесятых годах становится электроразведка в модификации межскважинной электрической корреляции (МЭК), так как в эти годы проводилась интенсивная разведка и доразведка угольных месторождений и поэтому создавалась возможность проведения межскважинного просвечивания. В это же время разрабатываются и односкважинные методы элекгроразведки (институт ВНИГРИУголь) и сейсморазведки (институт ВНИИГИС).

Новый импульс развития получили методы скважшшой геофизики в последнее десятилетие в связи с внедрением средств вычислительной томографии, что создает необходимость в разработке новых видов аппаратуры, соответствующих методик и технологий.

Методы шахтной геофизики. Показано, что вопросы изучения и прогнозирования тектонических нарушений в угленосном массиве перед его вскрытием горными работами являются основными задачами шахтной геофизической службы, которая функционирует в России и странах СНГ на протяжении последних 20 лет. За рубежом аналогичные работы начали проводиться на 20-30 лет раньше.

Шахтная геофизика, как и скважинная, развивается по двум основным разделам: сейсморазведке и электроразведке. Ведущее место отводится отечественным разработкам ВНИМИ, ВНИИГИС, МГА и др.

Весомый вклад в развитие методов шахтной геофизики внесен В.С.Ямщиковым, Ю.Г.Мясниковым, А.А.Грачевым, М.С.Сперанским, Н.Я.Азаровым, Д.В.Яковлевым, В.Ф.Матюшечкмным, М.Д.Молевым, Ю.С.Исаевым, В.Е.Крупиным, А.В.Анцифировым и др.

Шахтная электроразведка применяется эффективно в модификациях электропросвечивания и элекгропрофилирования на месторождениях антрацитов и бурых углей, поскольку здесь наиболее благоприятные физические предпосылки, особенно в условиях электропроводящих пластов антрацитов. Шахтная сейсморазведка проводится на всех типах месторождений с использованием трех основных методов: сейсмического просвечивания, отраженных волн и локации впереди забоя горной выработки.

В отечественной и зарубежной практике шахтной угольной геофизики, как и в скважинной, в последние годы находят интенсивное развитие и применение методы электрической и сейсмической томографии, которые существенно повышают информативность геофизических исследований.

Методы полевой геофизики. Выполнены анализ развития полевых геофизических методов, применяемых на угольных месторождениях для решения геологических задач, и оценка отдельных видов этих работ в современных экономических условиях. Сделан вывод, что общей тенденцией в совершенствовании методов сейсморазведки, гравиразведки, электроразведки, магниторазведки является создание компьютеризированных технологий. Ведущее место занимает многоволновая сейсморазведка

(работы И.Т.Козельского, С.С.Микульского, М.Т. Хохлова и др.). За рубежом проводятся исследования по разработке и совершенствованию высокоразрешающей сейсморазведки, под которой понимается использование спектра частот в диапазоне первых сотен герц; применяются специальные источники возбуждения волновых полей, модифицированные схемы наблюдений, пакеты программ компьютерной обработки данных.

1.3. Использование геофизических методов при прогнозировании тектонических нарушений в процессе геологоразведочных работ

Показано, что методы скважшгаой и шахтной электроразведки в числе других геолого-геофизических методов изучения тектонических нарушений шахтных полей взаимно увязываются в системе стадийности и последовательности геологоразведочных работ по критериям информативности, технологичности, стоимости.

Выполнена иерархическая увязка геолого-геофизических методов, применяемых на угольных месторождениях для изучения тектоники, в нормативных стадиях геологоразведочных работ.

Рассмотрены существующие схемы прогноза тектонического строения угольных месторождений, включающих геофизические методы. Проведен анализ особенностей использования методов скважинной и шахтной электроразведки при прогнозировании и изучении тектонических нарушений на угольных месторождениях, который сводится к рассмотрению двух основных способов проникновения в массив горных пород с целью его изучения: 1) механического (бурение разведочных скважин и проходка горных выработок); 2) с помощью физических полей (использование геофизических методов). Сочетание этих двух способов, как известно, -суть скважинной и шахтной, то есть подземной, геофизики. Причем основная особенность заключается в том, что применение геофизических методов, в частости скважинной и шахтной электроразведки, возможно только при учете действия взаимной (прямой и обратной) связи между двумя указанными способами. При этом под взаимной связью понимается влияние формы и размеров просвечиваемого физическими полями массива горных пород, а также условий эксплуатации скважин и горных выработок на разрешающую способность и дальность геофизических методов.

Поскольку основная задача скважинкой и шахтной электроразведки на угольных месторождениях, впрочем как и других геофизических методов, заключается в достижении максимальной разрешающей способности при изучении заданных объектов, то, естественно, необходим анализ факторов, влияющих на повышение этой разрешающей способности.

В соответствии с вышеизложенным можно выделить и кратко охарактеризовать две группы факторов: 1) физико-геологические (петрофизиче-

ские), 2) механические. Первая группа, то есгь петрофизические особенности исследуемой угленосной толщи, является априорной; на ее основе имеется возможность производить выбор геофизических методов и методик, способов и модификаций, выполнять исследования но их разработке и совершенствованию. Вторая группа, то есть размеры, форма изучаемого массива, техническое состояние и условия эксплуатации скважин и горных выработок, преимущественно не является априорной, так как определяется проектами на разведку и эксплуатацию угольных месторождений, и, следовательно, эту группу можно формировать в допустимых пределах с учетом разрешающей способности и дальности методов скважинной и шахтной электроразведки. Необходимость такого формирования очевидна с позиций влияния прямой и обратной связи, так как в практике работ существующие расстояния часто не позволяют достичь требуемой точности геофизических методов.

Таким образом, использование методов скважинной и шахтной геофизики является сложным методическим и технологическим процессом, который может быть увязан в методологическую систему, включающую физические (массив угленосных пород) и механические (скважины или горные выработки) объекты, геофизические методы и методики, геолого-геофизическую и техническую информацию и ир. Сущность системы заключается не только в привязке геофизических методов и методик к проектируемой или существующей сети разведочных скважин или горных выработок, но и в планировании и проектировании буровых и горных работ с учетом разрешающей способности и достоверности геофизических методов.

2. ФИЗИКО-ГЕОЛО!"ИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1. Петрофизичсская характеристика угленосных отложений

По результатам геофизических работ в угольных бассейнах многими исследователями установлено, что имеются существенные физико-геологические предпосылки для изучения комплексом геофизических методов, включая электроразнедочпые, локальных осложнений структур различного ранга, в частности разрывных нарушений.

Очевидно, что для разработки и применения геофизических методов необходимо использовать объемные модели горных пород, в том числе физико-геологические модели приразрывных зон.

Автор был зачинателем изучения физических свойств горных порол в зонах развития разрывных нарушений на угольных месторождениях. Фундаментом для выполнения исследований послужили знания и опыт, приобретенные при выполнении НИР в Донбасской методической партии ВНИИГИС под руководством проф. В.В.Гречухина и во время нахождения в очной аспирантуре Геологического факультета МГУ под руководством проф. А.К.Матвсепа и заведующего лабораторией угольной геофизики Наро-Фоминского отделения ВНИИГеофизика, канд. геол.-мин. наук И.Т.Козельского.

При изучении петрофизических особенностей в приразрывных зонах автором было учтено, что эти особенности должны быть обусловлены при прочих равных условиях действием наложенных процессов, которые изменяют физические свойства у неодинаковых по крепости и подвергнувшихся разрывам пород. Поэтому характер изменений физических свойств устанавливался при совокупном учете всех геологических факторов: 1) первичных (генетических), 2) вторичных (эпигенетических), 3) третичных (наложенных) и т.д. Был сделан вывод, что изменения физических свойств в приразрывных зонах необходимо рассматривать на фоне объемных физико-геологических закономерностей строения всей угленосной толщи, которые, в частности, отражаются в петрофизическом разрезе. Для Донецкого бассейна такой разрез построен автором совместно с Б.И.Воеводой, А.А.Майбородой, В.Г.Бойко и др. в 1970 - 1973 гг. во время работы в Донбасской методической партии ВНИИГИС. Автором лично отобрано и изучено в Донецком бассейне более 1500 образцов углей и вмещающих пород в скважинах и шахтах. В последующие годы сводный пегофизпческий разрез был дополнен и уточнен в результате исследований, выполненных Б.И.Воеводой.

Основные электрические параметры (удельное электрическое сопротивление - р и диэлектрическая проницаемость - с) закономерно изменяются в петрофизическом разрезе, как и другие параметры (плотности абсолютно сухих - 5С и насыщенных водой пород - 5П, скорость распространения продольных упругих волн - \'п). По мере преобразования осадочных пород и уменьшения их пористости Кп происходит постепенное увеличение удельного сопротивления и уменьшение диэлектрической проницаемости. Связь между пористостью и электрическими параметрами не является линейной и достигается при высоких значениях коэффициента корреляции и корреляционного отношения только для строго одноименных по литологическому составу пород. По отношению к плотности и скорости распространения упругих волн электрические параметры угленосных отложений достаточно сильно изменяются в зависимости от крупности зерен, вещественно-петрографического состава и степени обводненности

пород. По этим причинам электрические параметры следует анализировать при строгом учете всех первичных и вторичных геологических и физических факторов. При таком подходе и при сравнительно крупной разбивке пегрофизического разреза на 4 стадии: 1) бурых углей, 2) каменных углей, 3) полуантрацитов, 4) антрацитов, картина изменений электрических свойств вырисовывается следующим образом.

1. Бурые угли и полуантрациты практически не отличаются от вмещающих пород по электрическим свойствам.

2. Каменные угли (марки Г,Ж,К,ОС,Т) и апграциты резко (в десятки и сотни раз) отличаются от вмещающих пород по электрическим свойствам: каменные угли имеют повышенные значения удельного сопротивления и пониженные значения диэлектрической проницаемости, антрациты, наоборот, - пониженное удельное сопротивление и повышенную диэлектрическую проницаемость.

3. Вмещающие породы (аргиллиты, алевролиты и песчаники) характеризуются постепенным увеличением удельного сопротивления и понижением диэлектрической проницаемости от стадии бурых углей до стадии полуанграцитов, а затем интенсивность увеличения удельного сопротивления и понижения диэлектрической проницаемости резко возрастает, и далее - на стадиях антрацитов и до стадии графитов - опять наблюдается постепенный (почти линейный) рост удельного сопротивления и уменьшение диэлектрической проницаемости.

4. Пласты известняков практически не изменяют электрические свойства в ряду эпигенетических преобразований, поскольку относятся к хемоген-ным породам, и поэтому не подвержены интенсивному уплотнению, в частности за счет межзерновой переориентации. Они характеризуются ио-вышешшми значениями удельного сопротивления и пониженными показателями диэлектрической проницаемости по отношению к аргиллитам, алевролитам и песчаникам. Значения удельного сопротивлештя и диэлектрической проницаемости для известняков на всех стадиях иетрофизиче-ского разреза сопоставимы с показателями удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости высокоомпых угольных пластов. Исключение составляют 1шасты известняков, приуроченные к фациальным зонам повышенной глинизации, где эти литологические разности переходят в мергели и значения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости для них сопоставимы с таковыми для аргиллитов и алевролитов.

5. В каждой эпигенетической стадии (ступени) наблюдается увеличение удельного сопротивления и уменьшение диэлектрической проницаемости в ряду: аргиллиты - алевролиты - песчаники - известняки, причем дифференциация этих пород между собой по электрическим свойствам усиливается от стадии бурых углей до стадии антрацитов.

2.2. Физико-геологические модели основных типов разрывных нарушений в угленосных отложениях

Физико-геологические модели основных типов разрывных нарушений в угленосных отложениях составлены исходя из известных положений тектоники угольных месторождений, которые состоят в том, что подавляющее большинство тектонических разрывных нарушений, развитых в угленосной толще, являются постинверсионными и разделяются на две основные группы: надвиги и сбросы. Первые - результат сжатия, вторые -растяжения породного массива при тектонических воздействиях. Исследованиями автора установлено, что нетрофизические показатели углей и вмещающих пород (пористость, плотность, скорость распространения упругих волн) закономерно изменяются в приразрывных зонах в зависимости от типа и амплитуды разрывов, стадий преобразования пород. Прираз-рывная зона состоит из трещины смещения и окружающих ее измененных пород. В зонах надвигоз наблюдается одностороннее разуплотнение пород со стороны подвернутого лежачего или реже висячего крыла, что приводит к существованию скачка физических свойств па границе совмещенных но разрыву пород. В зонах сбросов разуплотнение пород симметричное. В самой трещине смещения породы сильно разуплотнены, состоят из милотизированного и часто коагулированного порошка, называемого глинкой трения, или тектонической брекчии и характеризуются резко повышенной по отношению к прилегающим породам пористостью и соответственно пониженной плотностью и скоростью распространения упругих волн. Трещина смещения и разуплотнение пород в зонах разрывных нарушений тем больше, чем больше амплитуда разрывов и ниже стадия преобразования пород. На стадиях антрацитовых углей разуплотнение пород, в силу их значительного окаменения, в приразрывных зонах практически не наблюдается и последние "обозначаются" только трещиной смещения и раздробленностью или трещиноватостыо пород.

Геоэлектрические модели приразрывных зон в общем случае соответствуют особенностям их геологического строения, но значения электрических параметров в этих зонах в отличие от значений плотности и скорости распространения упругих волн сильно изменяются в зависимости от степени обводненности разрывов и минерализации пластовых вод. Картина в обводненных разрывных нарушениях получается достаточно сложной, и для ее расшифровки требуется многоуровневый анализ. Этот анализ предусматривает первоначальное деление тектонических нарушений на обводненные и необводненные. Как правило, обводненными являются сбросы, а необводненными (сухими) - надвиги. Вблизи дневной поверхности приразрывные зоны часто с разной степенью увлажняются как у сбросов, так и у надвигов. В условиях скважин увлажнение и обводнение прираз-

рывных зон у "сухих" разрывов происходит путем проникновения бурового раствора или его фильтрата по трещине смещения (сместителю) и сопутствующим трещинам. В таких случаях имеет место интенсивное поглощение бурового раствора, которое устраняется специальными тампо-нажными работами. В зонах обводненных разрывов с обильными водопротоками в процессе бурения происходит смешение подземных вод с буровым раствором.

Все перечисленные факторы в совокупности создают неоднозначную картину изменений электрических свойств в нриразрывных зонах. В целом же можно констатировать, что обводненные и необводнешгые зоны тектонических нарушений значительно отличаются между собой по электрическим свойствам. Приразрывная зона необводненная имеет повышенные значения удельного сопротивления и пониженные показатели диэлектрической проницаемости за счет заполнения пор и трещин воздухом и газом. Обводненные разрывные нарушения в большинстве случаев характеризуются пониженными величинами удельного сопротивления и повышенными значениями диэлектрической проницаемости. Следует особо отметить, что поскольку по трещине смещения в разных точках среды контактируют разноименные литологические разности, то они вносят дополнительные и порой очень сильные изменения значений электрических параметров. Встречаются случаи, когда обводненные разрывы не отличаются по электрическим свойствам от вмещающих пород.

2.3. Отображение разрывных нарушений в элекфических полях при скважиштых, наземных и шахтных геофизических исследованиях на угольных месторождениях

На отдельных примерах показано, что разрывные нарушения, развитые в угленосной толще, можно рассматривать как локальные объекты, которые создают аномальные поля при геофизических исследованиях. Эти локальные объекты определенным образом отображаются в электрических полях при исследованиях методами полевой, скважшшой и шахтной электроразведки, а также методами ГИС.

Проведено сравнение кривых электропрофилирования, зарегистрированных в Восточном Донбассе над сбросами различной амплитуды, при относительно одинаковых геоэлектрнческих условиях. Показано, что в пределах одноименных стадий наблюдается увеличение ширины аномалий при их одинаковой интенсивности с возрастанием амплитуды разрывов. При этом по сравнению с гравитационными аномалиями диагностический признак здесь один - ширина аномалии, которая вызвана величиной (амплитудой) разрывного нарушения. Интенсивность аномалий электромагнитного поля не изменяется у разных по величине разрывов ввиду

одинакового удельного электрического сопротивления в приразрывных зонах. Гравитационные аномалии при возрастании амплитуды разрывов увеличиваются не только по ширине, но и по интенсивности потому, что у более крупных разрывов создается больший дефект плотности. Следовательно, диагностических признака здесь два, что очень важно при ком-плексировании данных электроразведки с другими геофизическими методами.

Приведенные примеры позволяют наметить тенденции, а в ряде случаев выявить и закономерности в распределении аномальных полей в прираз-рывных зонах. Но следует особо подчеркнуть, что эти тенденции и закономерности справедливы при сходных (близких) геологических ситуациях (литологический состав контактирусмых по разрыву слоев, состав заполнителя в трещине смещения, степень обводненности разрывов и соленость вод и пр.).

Изучение аномальных полей в приразрывных зонах показало, что практически на всех стадиях преобразования угленосных отложений (от длиннопламенных углей до антрацитов) наиболее отчетливо в массиве выделяются: 1) одиночные разрывы, которые представляют собой секущие угленосную толщу пласты малой мощности, но значительной протяженности; 2) зоны чешуйчатых (ступенчатых) односистемных разрывов, в которых объединены одноступенчатые разрывы, простирающиеся в одном направлении. Эти две группы создают "улавливаемые" аномалии, так как приразрывная зона "выступает" здесь как локальный возмущающий объект. В то же время встречаются многочисленные примеры наличия "не-улавливасмых" аномалий, которые характерны при хаотическом (разнонаправленном) расположении тектонических нарушений и их плотной концентрации в массиве угленосных пород. "Неулавливаемые" аномалии, то есть аномалии, сопоставимые с уровнем литологических, промышленных и прочих помех, отмечаются и в зонах одиночных разрывов при контакте по разлому одноименных литологических разностей с неявновыраженным сместителем.

Произведенное и соответственно условное деление аномалий электромагнитного поля на "улавливаемые" и "неулавливаемые" относится к традиционным и прямым электроразведочным методам, например профилированию, причем при условии жесткой геометрической привязки, поскольку изменение последней б неоднородных геологических средах приводит к изменению структуры аномального поля. Это подчеркивалось многими исследователями, но как направление по использованию физической фильтрации электрических полей возникло во ВНИГРИУголь при изучении разрывных нарушений. Таким образом, при подходе к анализу электромагнитных полей в тектонически нарушенных зонах с позиций физической (электрической) фильтрации многие "неулавливаемые" аномалии

могут становиться "улавливаемыми", что отражено в разделе 3. В настоящее время усилиями зарубежных и отечественных исследователей создано еще одно направление в геофизике - геофизическая томография, реализуемая в электроразведке в качестве радиовошювой, которая по своей физической сущности наиболее четко "работает" при выделении слабоконтрастных по электрическим свойствам объектов, что отражено в разделе 4.

3. РАЗРАБОТКА СКВАЖИННОГО ВАРИАНТА МЕТОДА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

3.1. Сущность метода пространственной электрической фильтрации

Метод пространственной электрической фильтрации в скважинном варианте (МПЭФ-С) разработан автором совместно с Б.И.Журбицким, Э.Г.Порфилкиным, С.В.Вонсовичем во ВНИГРИУголь (а.с./19/). Сущность МПЭФ-С заключается в изучении несовпадения формы кривых аномального поля, зарегистрированных в скважинах при разнонаправленном возбуждении первичного поля на земной поверхности симметричными относительно устья скважины питающими установками. МПЭФ-С, таким образом, представляет собой многократное профилирование по стволу скважины с параметрами, постоянными для измерительной и переменными для питающей установок.

Поскольку слои угленосных пород достаточно протяженные, длина питающих установок примерно равна глубине скважины, следовательно, поле в околоскважинном пространстве является квазиоднородным. Нетрудно доказать, что в случае ненарушенного моноклинально-слоистого разреза графики ДЦум при различных углах фдв имеют различную интенсивность, но подобную форму (совпадающие нормированные спектры):

Е(М) = Е°п х 1Ч(М), (1)

где Е(М) - вектор аномального электрического поля в точке М ненарушенной среды, Е°и - нормальная к поверхности раздела пород компонента первичного поля, РЧ (М) - значение некоторой вектор-функции в точке М, зависящей от величины удельного сопротивления и утла а между направлением первичного поля и электрггческих границ.

Для моноклинально-слоистого разреза, подвергшегося разрывам со смещением пластов, подобие формы графиков Ди>л;; при различных фАп нарушается:

Е(М) - Е°х • И, (М) + Е°у - Р2(М) + Ег • Р3(М), (2)

поскольку р1(М) при 1 = 1,2,3 непропорционально изменяется в зависимости от а. Следовательно, кривые Е(М) не совпадаю! в областях нарушенное™ моноклинального разреза. Наиболее значительные расхождения Ди^ отвечают случаю, когда вектор Е(М) ориентируется вкрест и вдоль слоистости, то есть в реальных условиях при направлении одной питающей линии А]В] вкрест простирания пород, а другой Л2В2 - по простиранию.

Возбуждение первичного поля в МПЭФ-С производится квазисимметричными относительно устья скважины питающими установками, поскольку при идеальной симметрии осевая компонента Ег вектора электрического поля тождественно равна нулю, что на практике, однако, никогда и не достигается ввиду неровностей рельефа, искривления ствола скважины, наклонного залегания пород и пр.

Лабораторными и натурными экспериментами установлена оптимальная длина питающих линий АВ, примерно соответствующая глубине исследуемых скважин. При этом нормальное поле МПЭФ-С по форме такое же, как и при установках вертикального электрического зондирования, то есть первоначально с глубиной интенсивно возрастает, а затем убывает по сумме экспонент. На границе между покровными и коренными отложениями происходит скачок в изменении параметров поля.

При производстве МПЭФ-С кривые аномального поля записываются в аналоговой или цифровой форме при конечном каротаже двухзондовой установкой (зонд КС), в которой расстояния между измерительными электродами соответственно равны 1 и 10 м. На фоне нормального поля кривые МПЭФ-С дифференцируют разрез по удельному электрическому сопротивлению подобно кривым электрических методов каротажа.

Признаком проявления разрывных нарушений в околоскважинном пространстве в радиусе до 50 м считается наличие "рассогласования" (несовпадения кривых по конфигурации и амплитуде) диаграмм МПЭФ-С, зарегистрированных зондом длиной 1 м. Зонд длиной 10 м используется для диагностики крупных разрывов и увеличения глубинности МПЭФ-С. Под несовпадением формы кривых МПЭФ-С понимаются протяженные (не менее 3 м) интервалы с неодинаковой конфигурацией и амплитудой этих кривых, а под изменением интенсивности - непропорциональное изменение фоновых значений напряженности или градиента потенциала ано-

мольного ноля (более 0,3 амплитудного значения) па достаточно протяженных интервалах (более 100 - 200 м).

3.2. Оценка разрешающей способности МПЭФ-С по результатам моделирования и натурных наблюдений

Решение прямых задач МПЭФ-С осуществлялось посредством математического и физического моделирования и натурных экспериментов в детально изученных геологических разрезах, в частности на полигоне параметрических скважин ВНИГРИУголь. Математическое моделирование проводилось путем численного решения прямых задач скважинной электроразведки на ПЭВМ по программе UWPOLIi, составленной на кафедре теоретической и ядерной физики физического факультета РГУ (А.В.Фисенко и др.). Физическое моделирование выполнялось в электролитической вание и на электропроводной бумаге. При выборе моделей достигалось максимально возможное их соответствие реальным условиям проведения МПЭФ-С в Донецком и Кузнецком бассейнах. Исследование аномального поля на различном удалении от локальных объектов проводилось путем сопоставления кривых МПЭФ-С, полученных на модели одиночного разорванного пласта пониженного и повышенного удельного электрического сопротивления. Установлено, что в однопластовой модели "рассогласование" кривых затухает на расстоянии, превышающем амплитуду разрыва, и в многопластовой модели аномальное поле усиливается в 2-3 раза. В реальной анизотропной среде (угленосной толще) дальность МПЭФ-С зависит от анизотропии пород и в среднем изменяется от 30 м (стадия длшшопламенных углей) до 50 - 70 м (стадия антрацитов). При совокупном рассмотрении кривых МПЭФ-С по группе соседних (кусту) скважин дальность действия МПЭФ-С устанавливается на расстоянии, превышающем 100 - 150 м по признаку понижения напряженности электрического поля в приразрывных зонах.

Особенности аномального поля МПЭФ-С отчетливо прослеживаются при физическом моделировании в электролитической ванне в зонах локальных слабоконтрастных неоднородностей различной величины, которыми, в частности, являлись деревянные диски различных диаметров. Сравнение кривых МПЭФ-С показывает, что с уменьшением размеров указанных дисков эффект- "рассогласования" усиливается под влиянием внешних кромок, поскольку внутренние отверстия, имитирующие скважину, и толщина у всех дисков были заданы одинаковыми. По мере удаления от локальных объектов эффект "рассогласования" затухает по признаку неновторепия формы кривых и проявляется в виде несовпадения значений напряженности аномального поля по интенсивности.

В работе рассмотрен вопрос о возможностях изучения пространственного положения разрывных нарушений в околоскважинном пространстве. Исследованию подвергались аномальные поля в области разорванных кромок одиночных пластов. Посредством физического и математического моделирования установлено, что наибольшее "рассогласование" кривых М11ЭФ-С достигается при направлении первичного поля вкрсст и вдоль кромок, то есть вдоль и вкрест простирания разрывных нарушений. Следовательно, для определения пространственной ориентации разрывов возникает необходимость вращения первичного поля. По результатам полевых наблюдений изучено поведение кривых МПЭФ-С при вращении первичного поля по различным азимутам. Результаты многочисленных экспериментов в Донецком бассейне показали, что в подавляющем большинстве случаев ориентация разрывного нарушения в околоскважинном пространстве совпадает с направлением питающей линии, при котором получаются кривые МПЭФ-С, наиболее отличающиеся от других по форме и интенсивности. Применять на практике этот способ следует осторожно, привлекая для этого всю имеющуюся информацию по геолого-геофизическим исследованиям, так как наибольшие отличия в конфигурации могут иметь и кривые МПЭФ-С, полученные при ориентации первичного поля вкрест простирания разрывных нарушений (за счет влияния кромок разорванных и обнаженных по разрыву одиночных и контрастных по электрическим свойствам пластов), что, как указывалось выше, подтверждается физическим моделированием. Однако такие случаи крайне редки, так как кромки разорванных пластов в большинстве случаев совмещаются по разрыву с противоположной стороны с кромками других разорванных пластов в силу циклического строения угленосных отложений. К этому следует добавить влияние подворотов, соответствующие изменения физических свойств и трещиноватости пластов, наличие трещины смещения. Совокупность перечисленных факторов, по всей видимости, и оказывает основное действие на преимущественное перераспределение тока вдоль простирания разрывов. Очевидно, что при анализе материалов МПЭФ-С необходимо выполнять качественную, а в ряде случаев и количественную многоуровневую интерпретацию.

3.3. Технология экспериментальных исследований и обработки результатов МПЭФ-С в комплексе с другими геолого-геофизическими методами

Работы МПЭФ-С совмещаются во времени с конечным карогажем. На дневной поверхности располагаются питающие электроды и линии проводов. Для создания фильтрационных эффектов первоначально ограничиваются двумя ортогональпыми питающими линиями. Установки с большим

числом азимутов ориентировки этих линий используются при необходимости определения пространственного положения разрывов. Приемная линия в МПЭФ-С представляет собой обычный зонд КС. Аппаратурно-технические средства включают генератор и измеритель любой электроразведочной аппаратуры низкой частоты и каротажную станцию, совмещенную с каротажным подъемником (лебедкой). Согласующих каскадов между электроразведочным измерителем и каротажным регистратором не требуется, поскольку первые имеют низкоомный выход, а вторые -высокоомный вход. В процессе регистрации кривые МПЭФ-С воспроизводятся в аналоговой форме в удобном для анализа и сопоставления масштабе (масштабах) глубин. Масштаб шкалы напряжений выбирается экспериментально при помещении измерительною зонда в призабойном интервале в толщу высокоомных пород.

Кривые МПЭФ-С, зарегистрированные при различных ориентациях питающей линии, сводят на одну диаграмму. Оформление диаграмм МПЭФ-С производят по аналогии с материалами каротажа. Первичная интерпретация заключается в выделении участков, в пределах которых форма кривых существенно не совпадает. После первичной обработки проводится многоуровневая интерпретация результатов наблюдений, включающая: а) классификацию аномальных расхождений, б) расшифровку особенностей поведения кривых ЛТД зарегистрированных при различной ориентировке питающих линий, в) качественную интерпретацию комплекса данных МПЭФ-С и ГИС, г) сопоставление и корреляцию материалов МГ1ЭФ-С и ГИС по соседним скважинам и с данными бурения, сейсморазведки и др. методов, д) установление принадлежности источников аномальных возмущений электрического поля к классу разрывных нарушений, е) построение сводных разрезов по линиям скважии, системам линий определенных направлений.

В диссертации приведены примеры использования МПЭФ-С для оценки тектонической нарушенное™ угленосных отложений при детальной разведке, контрольно-проверочном бурении, проведении спецтампонаж-пых работ. Особое снимание уделено анализу результатов МПЭФ-С, полученных на участке экспериментального бескернового бурения "Свидов-ский" в Западном Донбассе.

МПЭФ-С на участке "Свидовский" опробовался на локальной площади в 22 разведочных скважинах, сконцентрированных в области развития тектонического разрыва сбросового типа. Комплексный анализ геофизических материалов включал: 1) ьыбор скважин, в которых наряду с МПЭФ-С были выполнены исследования МЭК и АК, пластовой наклоно-метрии; 2) оценку степени тектонической нарушенное™ околоскважииного пространства по данным МПЭФ-С; 3) изучение кривых стандартного и

акустического каротажа на предмет выделения участков механически ослабленных пород и исключение слоев пониженной крепости, не связанных с тектоническими разрывами; 4) изучение кривых МЭК в зонах, отнесенных к тектоническим; 5) анализ сейсмогеологических разрезов, проходящих вблизи изучаемых скважин; 6) геологическое истолкование результатов геофизических работ на основе типовых примеров.

Результаты корреляционной увязки диаграмм МПЭФ-С на участке "Свидовский" по профилям, ориентированным вкрест простирания известных нарушений, в частности Петровского сброса, позволили установить, что разрывы с амплитудой более 50 м проявляются на диа1раммах МПЭФ-С на расстоянии, превышающем 100 - 150 м. Совместный анализ материалов МПЭФ-С, МЭК и АК позволил подтвердить ранее теоретически обоснованный вывод о преимущественном влиянии на характер "рассогласования" кривых МПЭФ-С тектошгческих разрывов, а не других геологических осложнений в моноклинальной угленосной толще, например фациального замещения пород.

Пример площадного опробования МПЭФ-С на участке "Свидовский" показал существенную результативность этого метода, подтверждаемую другими геолого-геофизическими данными. Из этого следует сделать вывод, что МПЭФ-С "работает" в качестве самостоятельного метода для оценки тектонической нарушенности околоскважинного пространства. Поэтому МПЭФ-С рекомендуется применять па всех стадиях поисково-разведочных и эксплутационных работ на угольных месторождениях, включая отдельные скважины, бурящиеся на стадии поисково-оценочных работ, в местах заложения шахтных стволов и др. Конкретные объемы бурения и исследований МПЭФ-С должны совместно определяться геологами и геофизиками в зависимоста от предполагаемой тектонической сложности участка. При этом целесообразно постепенно накапливать материалы но МПЭФ-С для сравнения и геологического истолкования на участках с зонами проявления мелких и крупных разрывов и складчатости, выклинивания и фациального замещения пластов.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ РАДИОВОЛИОВОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

4.1. Предпосылки применения радиоволнового просвечивания (РВП) на угольных месторождениях

В отечественной практике впервые метод РВП был опробован А.А.Грачевым в угольных шахтах Киргизии в начале 70-х годов. Работы

показали возможность изучения с помощью этого метода степени однородности угольных пластов и их тектонической нарушенности при расстояниях просвечивания до 100 м. В дальнейшем исследования по РВП в указанных шахтах выполнялись А.А.Грачевым, Д.В.Яковлевым, В.С.Ямщиковым и др. В конце 70-х - начале 80-х годов в институте УкрНИМИ (В.Ф.Матюшечкин, Г.И.Колчин и др.) проводились НИР по РВП в угольных шахтах Донецкого, Кузнецкого и Печорского каменноугольных бассейнов. Исследования показали, тгго применяемая технология не обеспечивает получение сигналов в горных выработках, оборудованных металлизированной крепыо.

В скважинном варианте РВГ1 в модификации межскважинной электромагнитной корреляции было опробовано в Южно-Якутском камегаю-угольном бассейне В.Н.Мамаевым и Л.К.Колеватовым. Показана принципиальная возможность электрокорреляции высокоомных угольных пластов, выявление их тектонической нарушенности в межскважшшом пространстве.

В середине 80-х годов в Восточном Донбассе автором был применен в односкважинном и двухскважшшом вариантах метод РВП на низких частотах 0.026 - 1.3 МГц с аппаратурой РВМ-6. Радиопросвечивание выполнялось в тектонически нарушенном массиве через многоступенчатый надвиг при расстояниях между скважинами от 30 до 160 м. Результаты исследований оказались положительными и в дальнейшем послужили основой для перехода к технологии скважинной и шахтной радиоволновой томографии на угольных месторождениях.

В диссертации проведен анализ условий распространения радиоволн в угленосных отложениях. Показано, что распределение радиоволнового поля неодинаково в разнолитифицированнкх породах, то есть в эпигенетическом ряду от стадии бурых углей до антрацитов.

В каждой изометаморфизованной ступени, в пачках квазиоднородных слоев пониженной и повышенной проводимости, показатель диэлектрической проницаемости закономерно изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от частоты радиоволнового поля, анизотропии слоев, их трещиноватости, влажности и др. теологических характеристик (работы Э.И.Арш и др.). Вследствие этого в диапазоне низких частот значения диэлектрической проницаемости могут достигать первые сотни отн.ед., что соответственно приводит к укорочению длин волн. Это подтверждается исследованиями, выполненными автором совместно с Л.Е.Подгорной. Изучены электрические свойства угленосных пород па полуаптрацитовой стадии в Восточном Донбассе, где на экспериментальном полигоне ВНИГРИУголь проведены исследования РВП в кусте параметрических скважин. Разрез угленосных пород на участке в целом является типичным для Восточного Донбасса, сложен циклически перемежающимися,

почти горизонтально залегающими осадочными породами. Для этих пород определены по результатам каротажа методами КС и БК удельное сопротивлешш и по данным лабораторных определений на приборе ИЭМС-1 на частоте 0.069 МГц - диэлектрическая проницаемость. В результате составлена геоэлектрическая модель, согласно которой угленосную толщу можно разделить на сравнительно мощные (от 20 до 50 м) квазиоднородные пачки слоев повышенного (песчаники и крупнозернистые алевролиты) и пониженного (аргиллиты и мелкозернистые алевролиты) электрического сопротивления. Эти квазиоднородные пачки слоев включают тонкие пласты углей и известняков, которые имеют контрастные границы и контрастные электрические и волновые свойства. Однако в диапазоне частот 0.02 - I МГц мощность пластов углей и известняков составляет не более 0.1 дайны волны и поэтому эти пласты при скважинных исследованиях РВП являются "прозрачными" Для разграниченных квазиоднородных пачек слоев пониженной и повышенной проводимости диэлектрическая проницаемость соответственно равна 30 и 240 отн.ед., коэффициент поглощения - 0.032 и 0.038 Неп/м, длина полуволны - 65 и 45 м.

Разрывы и смещения квазиодпородных по радиоволновым характеристикам пачек слоев на амплитуду более 5-10 м отчетливо фиксируются при обработке результатов РВП методами вычислительной томографии. Это объясняется тем, что реальная физическая картина может быть аппроксимирована моделью прямолинейного распространения волн, так как выполняются три основных условия: 1) 5 > А./2-, где Б - расстояние между скважинами, а к - длина волны, 2) п (показатель преломления) изменяется достаточно плавно, 3) X < я§, где 5 - толщина скин-слоя в среде.

При шахтных работах, в отличие от скважинных, веер просвечивания располагается в плоскости угольного пласта, то есть параллельно напластованию пород. Измерения выполняются при устройстве источников и приемников в самом пласте. Таким образом, если при проведении радиопросвечивания между двумя скважинами, где веер лучей расположен в субперпендикулярной к напластованию угленосной толщи плоскости, по каждому пласту возможно направить только единичное количество лучей (один, реже два-три, в зависимости от шага перемещения источника и приемника), то в шахтных условиях по угольному пласту лучей может быть множество, в зависимости от количества стоянок источника и приемника. В этих условиях важно рассмотреть особенности распределения радиоволнового поля непосредственно в угольных пластах.

Автором первоначально изучены возможности шахтой

РВМ-томографии в Восточном Донбассе, где преимущественно разрабатываются антрацитовые угольные пласты. Антрациты, как известно, характеризуются высокой проводимостью. Такие среды, согласно сущест-

вуклцим представлениям, являются неблагоприятными для применения радиоволновых методов. Однако автору путем опробования различных способов удалось на частотах 0,02 - 1.3 МГц при мощности генератора 1 - 5 Вт достигнуть дальность просвечивания более 300 - 500 м. Это привело к необходимости рассмотрения физической природы обнаруженного феномена.

Для анализа структуры электромагнитного поля в проводящей поляризующейся среде были выполнены соответствующие расчеты. Получены зависимости дойны волны от удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости, которые позволили четко разграничить волновую и индукционную зоны на разных частотах и обозначить промежуточную зону, в которой возможна двойная трактовка (волновая или индукционная) распространения электромагнитного ноля в проводящей поляризующейся среде. Выполненный анализ показал, что в диапазоне удельных сопротивлений р = 0.1 - 1 Ом • м волновые процессы могут наблюдаться на частоте Г - 10 кГц только при значениях диэлектрической проницаемости о 105 отн.ед., а максимальная длина волны при этом составляет 30 м; для этого же диапазона удельных сопротивлений на частотах Г = 100 кГц и Г - 1 МГц показатели с и л кратно уменьшаются в 10 и 100 раз. Следовательно, при Г - 1 МГц в антрацитовых пластах следует предполагать длины волн порядка Я = 1 - 3 м.

В диссертации описываются две физические модели, которые приводят к волновой трактовке распространения электромагнитного поля в хорошо проводящих пластах антрацитовых углей.

Согласно первой модели, электромагнитное поле распространяется в пласте антрацита в диапазоне частот 0.01-1 МГц как в однородном анизотропном пространстве.

Сделана попытка дать объяснение наличию сверхвысокой диэлектрической проницаемости антрацитов как продукта глубокого преобразования органического вещества, претерпевшего действие геостатического и бокового давления и температуры в период инверсиошюго погружения на глубину более В - 10 км. Автор допускает, что под действием углефика-ции (эпигенетических преобразований) упорядочение и текстурно-структурные преобразования угольных частиц приводят к созданию ячеек и цепочек из "совокупных природных конденсаторов", у которых пространство заполнено проводящим веществом при очень малых зазорах между этим веществом и "обкладками конденсатора". Такая структура вполне может привести к высоким значениям диэлектрической проницаемости. Не исключено, что эти ячейки и цепочки могут составлять обособленные области, в которых дигюльные моменты ориентированы одинаково. То есть в антрацитовом пласте возникает очень сильная структурная

поляризация, не свойственная, в противовес ориентационной и липолъной, некоторым другим природным объектам. Эта структурная поляризация, по всей видимости, возникает и во вмещающих угольные пласты терриген-ных породах за счет повсеместного распространения в них угольных частиц (прослоек детрита). Возможно этим вызваны достаточно высокие значения диэлектрической протщаемости (50 - 250 отн.ед.) у песчаников, алевролитов и аргиллитов.

Рассмотрен гальванический способ возбуждения электромагнитного поля посредством диполя, расположенного по простиранию пласта. Отмечается, что поскольку в этом направлении значения диэлектрической проницаемости больше, чем таковые вкрест слоистости, то увеличивается дальность прохождения сигналов. При этом влиянием горной выработки, заполненной воздухом, где поэтому длина волны в рассматриваемом диапазоне частот составляет порядка 10 км, можно пренебречь. Следовательно, справедливы законы элекгромагнитного поля электрического диполя в анизотропной безграничной среде, где в волновой (дальней) зоне компоненты напряженностей магнитной Нф и электрической Ео, характеризующие сферическую волну, убывают по экспоненте е"Ьг (Ь - коэффициент поглощения, г - расстояние) вследствие поглощения волны. Именно этот закон и положен в основу алгоритма томографической обработки при радиопросвечивании угленосных отложений.

Согласно второй моде™, электромагнитное поле распространяется в пласте антрацита как поверхностная волна на контакте с вмещаю) цими породами (плоский природный волновод).

Использованы физические представления, вытекающие из теории волноводов. В частности, рассмотрены возможные случаи возникновения плоского волновода в угленосной толще, когда на границах разделов имеет место высокая контрастность сред по электрическим свойствам, примерно равная 1:1000. В полосе радиоволновых частот f = 10 - 100 кГц в рассматриваемых средах предполагается явное преобладание токов проводимости, т.е. co-erpi<l и <в-е2-р2<Г Поэтому коэффициенты отражения п не будут зависеть от частоты и будут определяться только отношением удельных сопротивлений.

Распределение электромагнитного поля в плоских волноводах, как известно, может быть представлено несколькими типами, три из которых наиболее вероятны.

Волны первого типа - это собственно поверхностные волны, распространяющиеся по простираншо пород. Поэтому поле будет убывать быстро от границ и медленно вдоль оси распространения. В антрацитовых пластах при РВГ1, возможно, возникает именно этот тин волн, так как наблюдается увеличение амплитуды напряженности электромагнитного

поля при повышении частоты от 0.026 до 1.298 МГц, то есть с повышением частота электромагнитного поля как бы возрастает степень "прижатия" граничной волны к стенке волновода.

Волнами второго типа могут быть Т-волны, а волнами третьего типа -волны высших порядков, в частности первая высшая волна. Особенностью волн второго типа является их существование при любой частоте, то есть при критической частоте /кг;,г = 0 и соответственно критической длине волны крн[ = оо. Для существования волн высших порядков критическая частота должна быть такой, чтобы критическая длина волиы X крит < 2<± где с! - мощность вмещающих пород между пластами антрацитов. Длина волны по результатам расчетов в интервале частот { = 10 - 100 кГц в пласте шпрацига составляет X = 3 - 30 м, а во вмещающих породах X - 50 -150 м. Расстояния между пластами антрацита в стратиграфическом разрезе Восточного Донбасса составляют от 5 до 100 - 150 м, чаще 15 - 50 м. Мощность разрабатываемых пластов 0.7 - 1.2 м. Следовательно, диапазон /.крит может быть достаточно широким.

Из изложенного следует, »гго в угленосной толще с антрацитовыми пластами могут существовать волноводы, влияние которых, но всей видимости, будет возрастать при увеличении частот от 10 - 100 кГц до первых единиц мегагерц.

Рассмотренный природный волновод и его аналоги в силу изменчивости морфологии слоев, наличия микро- и макронеоднородностей, анизотропии, трещиноватости (кливажа) и др. геолого-геофизических факторов следует характеризовать как квазиволноводы. По Д.С.Даеву их можно относить к несовершенным волноводам. Сущность последних в том, что при конечной проводимости стенок и материала, заполняющего волновод, отражение может происходить с малыми потерями, но при этом прохождение плоских волн сопровождается поглощением, которое соответствует затуханию волны, распространяющейся по волноводу.

Обе рассмотренные модели, таким образом, приводят к лучевой трактовке распространения электромагнитных волн в угленосной толще с антрацитовыми пластами. Это позволяет использовать результаты РВП в антрацитовых пластах при решении обратной томографической задачи по алгоритму Радона.

4.2. Технология экспериментальных работ при скважинной и шахтной радиоволновой томографии на угольных месторождениях

Скважинная радиоволновая томография. Для производства работ выполняют обустройство не менее двух скважин для их одновременного исполь-

зования; расстояние между ними не более 200 - 400 м для диапазона частот 0.02 - 1 МГц. Техника и технология производства исследований в скважинах соответствует веерному способу РВП, МЭК и др. методов. Тип шггенн, их размеры, а также мощность передатчика выбираются экспериментальным путем в зависимости от геоэлектрических условий района работ и расстояния между исследуемыми скважинами. Например, при расстояниях между скважинами 100-250 м в диапазоне частот 0.02-0.1 МГц можно выполнять исследования с генератором мощностью 1 Вт со штыревыми электрическими антеннами длиной 12 м. Дальность прохождения сигналов составляет при этом примерно 400 м. Шаг перемещения передатчика и приемника целесообразно выбирать меньше размеров изучаемых объектов, которые, в свою очередь, должны быть больше длины волны. Однако следует при этом учитывать и зависимость четкости томографических изображений от количества наблюдений (минимальная сетка 15x15). Поскольку в суммарных пачках квазиоднородных слоев длина волны в среднем составляет около 100 м, а глубина углеразведочных скважин не превышает 1500 м, то шаг перемещения генератора и приемника при поисковых работах в скважинах следует определять только путем соблюдения минимальной томографической сетки в блоке исследований, на которые разделяется исследуемый массив. Например, при расстоянии между скважинами в 250 м и их глубине в 1000 м получается три блока размером 250 х 350 м, в каждом из которых следует выполнить при одностороннем просвечивании (только прямой или только обратный вариант) 20 х 20 = 400 измерений. Задолженность скважин глубиной 1000 м на производство РВМ-томографии с учетом времени на измерения, спуско-подъемные и подготовительные операции составляет примерно 35 часов или около 4,5 бригадо-смен. Отсюда следует вывод, что скважинная РВМ-томография при проведении геологоразведочных работ приводит к определенным затратам и, следовательно, должна применяться при тщательном обосновании. В последующем исследования окупаются, так как на томограммах могут быть выявлены смещения квазиоднородных пачек слоев, то есть разрывные нарушения амплитудой более, а в некоторых случаях и менее 5 - 10 м.

Шахтная радиоволновая томография. Проведение экспериментальных наблюдений по РВМ-томографии в угольных шахтах по сравнению с исследованиями в углеразведочных скважинах на дневной поверхности имеет специфические особенности, связанные, в первую очередь, с работой в подземных условиях. Требования к технологии экспериментальных наблюдений по радиоволновой томографии те же, что и к другим методам шахтной геофизики: обеспечение доступа к изучаемому объекту (угольному пласту), выбор из набора имеющейся или создание специальной ма-

логабаритной и митого веса переносной аппаратуры, определение оптимального шага перемещения истотигаков и приемников по профилям наблюдений, автоматическая запись измеренных значений на твердый носитель с их последующем переносом на компьютер и пр.

Автором исследованы возможности возбуждения и приема сигналов радиоволнового поля в диапазоне частот 0.026 - 1.3 МГц в антрацитовых угольных пластах. Объектами исследования являлись подготовленные для отработки целики. Радиопросвечивание осуществлялось путем установки источником и приемников в местах вскрытия угольного пласта по стенкам штреков. Выбран контактный способ возбуждения (с помощью штыревых заземлителей) и приема (с помощью магнитной антенны) сигналов радиоволнового поля. Контактный способ обеспечивает возможность работы в горных выработках, насыщенных металлическими конструкциями, включая рельсовые пути и силовые кабели. В местах сплошной затяжки стенок горных выработок делаются небольшие окна для прислонения магнитной антенны к угольному пласту. Таким образом, определена технология измерений шахтной РВМ-томографии. Технология включает унификацию технических и аппаратурных решений. Изготовлен с помощью кафедры радиофизики РГУ (Орлов C.B.) макет шахтной аппаратуры, выполненный в переносном варианте и обеспечивающий возможность работы в условиях шахт, не опасных по внезапным выбросам угля и газа. Рабочая частота в диапазоне 0.02 - 0.1 МГц. Передатчик работает в дискретном режиме, что обеспечивает экономию батарей питания и возможность определения фоновых значений радиоволпового поля (поля помех) в каждой точке наблюдения. Выходное напряжение генератора стабилизировано, выходной ток контролируется. Чувствительность приемника не меньше 0.1 мкВ при отношении сигнал/шум 10 дБ. Динамический диапазон приемника не менее 80 дБ. Амплитуда принимаемого сигнала выводится на аналоговый измерительный прибор с погрешностью не более 5%. Приемник имеет режим записи показаний во встроенное ОЗУ с последующим считыванием в ПЭВМ, совместимой с ГВМ PC AT, через порт принтера. Количество запоминаемых показаний - 1024. Записанная информация сохраняется в приемнике в течение недели. Один комплект аппаратуры включает в себя 1 передатчик со штыревыми возбудителями, 2 приемника с магнитными антеннами, 1 дискету с программой дом считывания информации из приемника в ПЭВМ. Продолжительность непрерывной работы аппаратуры не менее 6 часов.

Методика исследований в шахтных условиях по РВМ-томо1рафии основывается на зкспрессности и простоте измерений, что достигается применением вышеописанной переносной аппаратуры м&того веса с электронной записью регистрируемых параметров и производством одновременных измерений двумя приемниками на одном и том же профиле: половина

профиля измеряется одним приемником, а вторая половина - другим. Для производства измерений стенки штреков, ограничивающие изучаемый целик, размечаются на пикеты через 5-20 м в зависимости ог детальности съемки. Длина профилей, в соответствии с дальностью просвечивания, при длине лавы 180 - 200 м определяется в 400 м. Генератор последовательно устанавливается в каждой заданной точке одной стороны изучаемого целика путем заземления диполя в антрацитовый пласт вдоль залегания пласта. Диполь состоит из изолированных от касания с металлической крепью штыревых электродов, соединенных с генератором экранированным шнуром. На каждой стоянке генератора во втором (противоположном) штреке производятся измерения с заданным шагом. Время измерения при электронной регистрации 0.2 мин на каждой точке. При нормально-пассивном передвижении двух операторов по штреку вдоль пласта со скоростью 3 км/ч на томографическую съемку участка с шагом измерений 10 м (это расстояние соответствует предполагаемой длине волны в антрацитовом пласте) на профиле длиной 400 м затрачивается 10 - 12 часов, что составляет 2 бригадо-смены для геофизического отряда численностью 3-4 человека. Таким образом, предлагаемая технология не является существенно затратной по времени по сравнению со скважинными работами, где производство геофизических исследований связано с простоем скважин.

В диссертации приведены примеры использования технологии шахтной РВМ-томографии в горных выработках АО "Ростовуголь" и АО "Гуковуголь".

4.3. Технология томографической обработки данных РВП

Рассмотрены методика первичной обработки данных РВП, техника построения томограмм и их анализ. Технологией работ предусматривается выполнение детального анализа всех имеющихся геолого-геофизических данных и принятие схемы обработки получаемых материалов, поскольку при детальном анализе становятся известными основные геолого-геофизические характеристики.

Методика первичной обработки данных РВП, как и в других видах геолого-геофизических исследований, складывается из первоначального формирования массива исходных данных, после чего производится проверка этого числового массива. Далее вычисляется нормальное поле для изучаемого геоэлектрического разреза, преобразуются измеренные значения напряженности электромагнитного поля в интерпретационные параметры (коэффициенты поглощения, экранирования, волноводности), оценивается дальность и результативность РВП. Для обработки исходных данных сформирован пакет прикладных программ для ПЭВМ серии 1ВМ РС АТ

(разработки ВНИГРИУголь, ШШМиПМ РГУ, КазВИРГа и др.). Предусматривается нормирование и осреднение исходных данных, их отображение на обобщенной плоскости, последовательное сопоставление графиков, отбраковка ложных аномалий и пр.

В основу программы томографической обработки (Д.Н.Карпинский, Д.В.Азаров) положена известная модель прямолинейного распространения волн, являющаяся близкой аппроксимацией реальной физической картины. Основная цель восстановления состоит в получении распределения значений физического параметра !'(\,у), например коэффициента поглощения, показателя преломления и др., вдоль расчетной траектории по данным измерений сигнала вдоль линий наблюдений. Для обеспечения сходимости алгоритма при наличии шумов производится сглаживание с помощью определения по ближайшим соседям. Проведены тестовые расчеты, которые показали хорошую (до 80%) сходимость реальных моделей и полученных томограмм.

Технология автоматизированной обработки, таким образом, при РВМ-томографии складывается из: 1) анализа исходных данных; 2) построения геолого-геофизической модели по результатам геологической документации с использованием материалов ГИС в скважинах и электропрофилирования или электропросвечивания в горных выработках^ 3) получения томограмм по результатам РВП; 4) последовательного уточнения модели путем решения прямой и обратной томографической задачи; 5) геологического истолкования томограмм. Наиболее трудоемким и ответственным является технологический этап последовательного уточнения геоэлектрической модели. Он проводится с использованием, главным образом, двух программ по решению прямой и обратной задач. Построение томограмм в автоматизированном режиме осуществляется по команде оператора-интерпретатора, который выбирает параметры вариантов просчета и выводит на дисплей изображение исследуемого разреза. При этом интерпретатор добивается наиболее контрастного "высвечивания" искомых объектов путем перебора волновых параметров, изменения количества градаций, вырезания окон и пр. Окончательный вариант изображения объекта переводится в твердую копию, описывается и вместе с заключением передается потребителю.

В процессе работы проанализированы результаты РВМ-томографии совместно с другими геологическими и геофизическими материалами, полученными при опробовании и применении РВМ-томографии в Донецком бассейне при скважипных исследованиях: 1) па опытном полигоне ВНИГРИУголь между 11 скважинами на участке "Садкинский-Северный" (стадия преобразования, соответствующач углям марки ПА), 2) на участке "Садкинский -Восточный N2" между двумя скважинами (стадия преобразования, соответствующая углям марки А), 3) на участке спецтампонаж-

ных работ между двумя скважинами в Донецко-Макеевском угленосном районе (стадия преобразования, соответствующая углям марки К и ОС), 4) на участке поля шахты им. Героев Космоса в Западном Донбассе между двумя скважинами (стадия преобразования, соответствующая углям марки Г) и при шахтных исследованиях: 1) на шахте "Майская" АО "Ростовутоль" между двумя горными выработками (стадия преобразования, соответствующая углям марки A4), 2) на шахте "Несветаевская" АО "Ростовуголь" между шестью горными выработками (стадия преобразования, соответствующая углям марки А5), на шахте "50 лет Октября" АО "Гуковуголь" между двумя горными выработками (стадия преобразования, соответствующая углям марки А5).

Сопоставление данных РВМ-томографии с результатами горных работ выполнено на шахте "Несветаевская" АО "Ростовуголь". Радиопросвечивание проводилось в 1993 г. между штреками 022 и 023 на участке размером 180 х 300 м по веерной схеме с шагом перемещения генератора и приемника 10 м. В 1994-1995 гг. производилась выемка угля по лаве 023, в результате которой подтверждена достоверность прогноза РВМ-томографии: в местах, где число аномальных зон радиоволнового поля сравнительно невелико, средняя проходка лавы в месяц составляла 30 - 40 м, в то время как в области повышенной напряженности радиоволнового поля проходка лавы составляла 10 - 20 м. Здесь же происходили весьма интенсивные обвалы пород кровли, которые в конечном итоге не позволили вести добычные работы и выемка утля в лаве была прекращена. При проходке обходной печи подтвердилось и то, что самое крупное разрывное нарушение на исследованном участке (амплитуда по стенке штрека составляла 0,8 м) не является протяженным и затухает вблизи стенки штрека. Согласно геологической документации было установлено, что на первых десяти метрах от штрека разрыв стал уменьшаться по амплитуде и далее затух.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны основы технологии прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях методами скважин-ной и шахтной электроразведки. Научные и практические результаты получены по трем разделам угольной геофизики: 1) изучение петрофиз1гче-ских особенностей угленосных отложений в приразрывных зонах; 2) разработка теории, методики и технологии метода пространственной электрической фильтрации для выявления разрывных нарушений в околосква-жинном пространстве па угольных месторождениях; 3) методическая и технологическая адаптация метода РВП для выявления, изучетгая и про-

гиозирования тектонических нарушений в межекважинном и межшахтном пространстве.

Выводы по выполненным исследованиям:

1. Изучены петрофизические особенности приразрывных зон угленосных отложений и установлены зависимости изменения физических свойств углей и вмещающих пород от типа и амплитуды разрывов на разных стадиях преобразования. Показано, что общий структурный фон изменений физических свойств в угленосных отложениях характеризует петрофизический разрез, который количественно отражает изменения этих свойств по стадиям преобразования, соответствующим углям определенных марок. В пределах стадий преобразования угленосных отложений их физические свойства на удалении от разрывных нарушений соответствуют таковым в петрофизическом разрезе, а по мере приближения к месту разрыва (сместителю) в лежачем и висячем крыльях происходит постепенное изменение этих физических свойств, которое скачкообразно закапчивается б зоне разлома. Изменения физических свойств пород в приразрывных зонах, таким образом, являются локальными, наложенными на ка-тагенетические. Локальный характер изменений физических свойств в зонах разрывов создает благоприятные условия для их обнаружения геофизическими методами.

Основными геолого-геофизическими особенностями приразрывных зон являются: а) увеличение ширины трещины смещения с возрастанием амплитуды разрывов и уменьшением степени преобразования угленосных отложений, что подтверждается данными каротажа, электро-, грави- и сейсморазведки, б) существование скачка физических свойств у контактирус-мых по сместителю литологических разностей в зонах надвигов за счет разуплотнения пород в подвернутом (чаще лежачем) крыле и их слабого уплотнения в неподвернутом, резко срезанном при разрыве замкнутой складки (чаще висячем) крыле при том, что чем больше амплитуда надвигов и слабее степень преобразования пород, тем больше величина скачка физических свойств, в) наличие примерно симметричного разуплотнения пород в обоих (висячем и лежачем) крыльях сбросов при том, что интенсивность и ширина зоны изменений физических свойств в крыльях сбросов, как и у надвигов, увеличиваются с возрастанием амплитуды разрывов и затухают тем быстрее, чем больше степень преобразования пород; г) однонаправленное с вмещающими породами изменение физических свойств углей в зонах надвигов и сбросов при том, чго вещественно-петрографический состав углей и вмещающих пород в этих зонах практически не меняется, изменения физических свойств вызваны преимущественно перестройкой их текстурно-структурных особенностей.

2. Разработай, опробован и внедрен в Донецком и Кузнецком бассейнах, на угольных месторождениях Средней Азии и Дальнего Востока ме-

тод пространственной электрической фильтрации в скважинном варианте. МПЭФ-С разработан специально для выявления локальных неодпородно-стен, среди которых в угленосных отложениях бассейнов геосинклинального тина преобладают тектонические нарушения. Сущность МГ1ЭФ-С заключается в разнонаправленном возбуждении первичного электромагнитного поля на дневной поверхности симметричными относительно устья скважины питающими установками, при котором в моноклинальной слоистой анизотропной среде в зонах тектонических разрывов происходит перераспределение тока, фиксируемое измерительной установкой, перемещаемой по скважине.

Изучены геолого-геофизические предпосылки применения МПЭФ-С на угольных месторождениях, основными из которых являются отчетливая дифференциация пород по удельному электрическому сопротивлению, относительная выдержанность маркирующих угольных пластов при их моноклинальном залегании, сравнительно небольшая мощность покровных отложений, удовлетворительные условия для устройства питающих линий на дневной поверхности.

Доказаны идентичность формы кривых аномального поля в анизотропной слоистой среде независимо от места и способа возбуждения первичного поля и несовпадение формы этих кривых в зонах разрывов и смещении слоев.

Установлено, что МПЭФ-С позволяет определять в разрезах скважин и околоскважннном пространстве в радиусе от 20 - 30 до 100 - 150 м, в зависимости от коэффициента анизотропии пород и размеров электроразведочных установок, разрывные тектонические нарушения амплитудой более 0.5 м и тем самым оценивать степень тектонической нарушенноста око-лоскважшпюго пространства. Поэтому МПЭФ-С рекомендуется использовать в качестве экспресс-метода определения тектонической иарушснности угленосных отложений.

Выявлена возможность определения с помощью МПЭФ-С пространственного положения разрывных нарушении. Методика может применяться для изучения одиночных разрывов сбросо-взбросового типа или групповых однонаправленных разрывов, проходящих вблизи скважины. Сущность методики заключается в изменении направления первичного поля по отношению к элементам залегания пород или разрывов, что достигается перемещением питающих линий по различным азимутам на дневной поверхности.

Разработана технология использования МПЭФ-С, которая предусматривает: 1) применение двухзондовых регистрирующих установок с расстоянием между измерительными электродами 1 и 10 м, что позволяет качественно оценивать амплитуду разрывов и их крутизну падения, 2) возможность устройства малых питающих линий (до 200 м), что существен-

но не искажает форму кривых поля (изменяется только интенсивность нормального поля), 3) одновременную запись кривых МПЭФ-С в масштабах глубин 1:200 и 1:2000 для использования последнего при корреляции, 4) проведение исследований при конечном каротаже.

Рассмотрены пути повишения достоверности изучения тектоники шахтных полей за счет кустовых (площадных) исследований МПЭФ-С, что дает возможность выполнять геолого-геофизическую корреляцию и делать прогноз о развитии тектонической нарушенности в пределах изученной площади. МГ1ЭФ-С рекомендуется к применению в комплексе ГИС на всех стадиях поисков и разведки угольных месторождений, а также при специальных видах буровых работ, например спецтампонажных.

3. Обоснованы предпосылки и разработана технология скважинной и шахтной РВМ-томографии на угольных месторождениях. Проведенными работами доказано, что РВМ-томография позволяет получать дополнительную геологическую информацию о строении угленосной толщи в меж-скважинном и межшахтном пространстве, в частности о тектонических нарушениях.

Сформированы представления о физико-геологических предпосылках радиоволнового просвечивания угленосной толщи, в том числе антрацитовых угольных пластов. Показано, что: а) нри межскважинных исследованиях РВГ1 в низкочастотном диапазоне удается фиксировать смещения совокупных квазиоднородных слоев. Следовательно, определенным образом решается задача выявления в непрозрачной толще разрывных нарушений. При этом применение более низких частот оказывается предпочтительнее, так как увеличивается дальность просвечивания при практически неизменяющейся разрешающей способности (дайна волны с ростом частоты от 0.026 до 1.3 МГц уменьшается в 4 - 5 раз, что недостаточно для расчленения квазиоднородных слоев на отдельные сравнительно тонкие пласты мощностью менее 1 - 3 м); б) при радиопросвечивании проводящих пластов антрацита достигнута сравнительно высокая дальность просвечивания (не менее 400 - 500 м) путем гальванического возбуждения и индуктивного приема; выявлена инверсия интенсивности сигналов (на частоте 1.3 МГц значения больше, чем на частоте 0,026 МГц), которая, по всей видимости, обусловлена, с одной стороны, очень значительной разницей диэлектрической проницаемости, а с другой - прохождением радиоволн особыми путями, например вдоль границ поверхностей сверхконтрастных слоев или б плоском волноводе внутри межантрацитовых слоев.

Изготовлен и опробован макет шахтной аппаратуры, который позволяет выполнять работы в шахтах, не опасных по внезапным выбросам уг ля и газа. Рабочая частота в диапазоне 0.02 - 0.1 МГц. Один комплект аппаратуры включает в себя 1 передатчик со штыревыми возбудителями, 2 приемника с магнитными ашешгами, 1 дискету с программой для считывания

информации из приемника в ПЭВМ. Передатчик работает в дискретном режиме, что обеспечивает экономию батарей питания и возможность определения фоновых значений ралиоволнового поля (поля помех) в каждой точке наблюдения. Приемник имеет режим записи показаний во встроенное ОЗУ с последующим считыванием в ПЭВМ, совместимой с IBM PC AT, через порт принтера.

Разработаны и усовершенствованы программные средства для обработки РВМ-данных и выполнена оценка разрешающей способности томографических программ на модельных и натурных объектах: а) установлен эффективный прием обработки результатов радиоволнового просвечивания, каковым является нормирование исходных данных, б) выполнен анализ РВМ-томограмм на моделях и определены оптимальные размеры "высвечиваемых" объектов при соответствующем шаге перемещения приемников и источников, в) изучены возможности разрежения сети приемников и источников при условии пересечения одним из профилей наблюдений локального объекта.

Определена технология РВМ-томографии при полевых работах на стадиях разведки и эксплуатации угольных месторождений и при обработке эксперименталыплх наблюдений, предусматривающая определенную последовательность операций, которая включает использование новых технических решений, а также аппаратурных и программных разработок.

Сопоставление результатов скважинной и шахтной РВМ-томографии с данными бурения и горных работ показало хорошую сходимость прогнозов (в пределах 80%). Таким образом, скважинная и шахтная РВМ-томография обеспечивают решение задач тектоники угольных месторождений с экономически оправданным уровнем затрат.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Геолого-геофизическне признаки разрывных нарушений в разрезах скважин//Вестник МГУ. Сер. Геология. - 1975. -N5. - С. 118 - 121.

2. Погрешность определения пористости и плотности горных пород Донбасса .//Разведка и охрана недр. - 1975. -N12. - С. 42-44 (совместно с Воевода Б.И., Бойко Г.А.)

3. Плотностная характеристика пород угольных месторождений Донбасса в зонах сбросов //Вестник МГУ. Сер. Геология. - 1976. - N3. - С. 118122.

4. Петрофизические особенности пород в зонах надвигов. М; 1976. - 9 с. Деп. в ВИНИТИ, 574-76.

5. О построении петрофизических моделей разрывных нарушений (на примере Донбасса). -М., 1976. - С. 153-158. Деп в ВИНИТИ, 642-76.

6. Способ расчета распределения геостатического давления в угленосных отложениях Донецкого бассейна //Проблемы глубинной геологии Донецкого бассейна: Сб. науч. тр. - Киев.: Наук, думка, 1976. - С. 142-145.

7. Количественное соотношение плотности высокопреобразованных тер-ригенных пород с их литологической характеристикой //Изв. Вузов. Сер. Геол. и разведка. - 1976. - N7. - С. 180-183 (совместно с Козельским И.Т., Матвеевым А.К.)

8. Влияние разрывных нарушений на свойства глинистых пород (на примере Донбасса) //Сов. геология. - 1977. - N7. - С. 134-138 (совместно с Носовым Г.И., Влодарской В.Р.)

9. Изменение плотности и пористости уг лей и вмещающих пород в зонах малоамплитудных разрывных нарушений. М., 1977. - С. 102-108. Деп. в ВИНИТИ, 297-77..

10. Основные признаки приразрывных зон надвигов в Донецком бассейне //Уголь Украины. - 1977. - N9. - С. 45-46.

11. Особенности сбора и обработки сейсмической информации с целью выделения аномалий, соответствующих малоамплитудным зонам нарушенных угленосных пород //Изучение геофизическими методами малоамплитудной тектоники угольных месторождений: Сб. науч. тр. /ВНИИГеофизика - М.,1977. - С. 22-40 (совместно с Козельским ИТ., Матвеевым А.К., Заниной Н.М., Шимориной Е.Ф.)

12. Возможности изучения малоамплитудных разрывных нарушений фавимегрией при доразведке угольных месторождений в Восточном Донбассе //Геологическое строение и разведка полезных ископаемых Ростовской области: Сб. науч. тр. /РГУ,- Ростов-на-Дону, 1979. - С. 82-87 (совместно с Калинчииым Н.С.)

13. Сейсмогеологическая характеристика нарушений типа надвиг и сброс //Методы изучения тектоники угольных месторождений в процессе разведки и эксплуатации. - М.: Недра, 1981. - С. 118-120 (совместно с Козельским И.Т., Матвеевым А.К., Шимориной Е.Ф.)

14 Петрофизические и микроструктурные изменения пород в приразрывных зонах //Методы изучения тектоники угольных месторождений в процессе разведки и эксплуатации. - М.: Недра, 1981. - С. 79-87 (совместно с Деньгиной Н.И.)

15. Литологическое расчленение карбонатных пород по результатам геофизических измерений в скважинах (на примере Восточного Донбасса).- М„ 1984.-14 с. Деп. в ВИНИТИ, 2682-84 (совместно с Гордеевым B.C.)

16. Использование методики пространственной физической фильтрации электрических полей при изучении тектоники угольных месторождений с поверхности и в скважинах //Новые методы поисков и разведки ме-

(порождений твердых горючих ископаемых: Сб. науч. тр /ВСЕГЕИ. -Л.,1984. - С. 103-108 (сопместно с Порфилкиным Э.Г.)

17. Физическое и математическое моделирование метода скважинной электроразведки на основе фильтрации электромагнитных полей. - М., 1984.12 с. Дсп.в ВИНИТИ, 8367-84 (совместно с Вонсовичем C.B., Кислицей АН.)

18. Выявление разрывных нарушений методом пространственной электрической фильтрации //Разведка и охрана недр. - 1985. - N7. - С. 41-43 (совместно с Вонсовичем C.B., Журбицким Б.И., Порфилкиным Э.Г.)

19. Способ выявления разрывных нарушений в массиве горных пород //А.с. N1187129. МКИ G 01 V 3/02. - 1985 (совместно с Вонсовичем C.B., Журбицким Б.И., Порфилкиным Э.Г.)

20. Изучение тектонически нарушенных зон скважинной электроразведкой на угольных месторождениях //ДАН СССР. - 1986. Т.288. - N2. . с. 448-449.

21. Применение электроразведки для изучения тектоники угольных месторождений //Обзор ВИЭМС. Сер. Разведочная геофизика. - М., 1986. - 48 с. (совместно с Вонсовичем C.B., Журбицким Б.И., Порфилкиным Э.Г.)

22. Изучение дизъюнктивных дислокаций посредством коррелящш разрезов по диаграммам методов скважинной электроразведки и каротажа //Новые методы изучения и прогноза мапоамплитудной тектоники при разведке угольных месторождений: Сб. науч. тр. /ВСЕГЕИ. - Л., 1986. - С. 118-127.

23. Изучение разрывных нарушений методами акустического видеокаротажа и скважинной электроразведки //Уголь Украины. - 1987. - N1. - С. 2526 (совместно с Гордеевым B.C., Пасшпсом В.И.)

24. Использование методов скважинной электроразведки для повышения достоверности прогноза нарушенности массива угленосных пород /Л1аучно-технический прогресс в области поисков и разведки месторождений ТГИ: Сб. науч. тр. /ВИМС. - М„ 1987. - С. 135-142 (совместно с Порфилкиным Э.Г., Вонсовичем C.B., Калмыковым С.М.)

25. Методические рекомендации по изучению тектонической нарушенности в углеразведочных скважинах /ВНИГРИУголь. -Ростов-на-Дону, 1988. - 55 с. (совместно с Погребновым Н.Н., Трощенко В.В.)

26. Изучение тектоники угольных месторождении методами скважинной электроразведки (временные методические указания) /ВНИГРИУголь. - Ростов-иа-Допу, 1988. - 55 с. (совместно с Журбицким Б.И., Вонсовичем C.B., Порфилкиным Э.Г., Синеоким А.П., Меньшиковым В.А., Лебедкиным Л.В., Гитлиным Я.Л., Бойко В.Д., Калинчипым Н.С., Мамаевым В.Н., Ластовецким В.П., Литвиным A.M., Фисенко А.В.).

27. Опыт применения и перспектиш развития наземно-скважинной электроразведки для изучения геологического строения угольных месторождений //Пути повышения эффективюсти геофизических исследований скважин при поисках и разведке угля и рудного сырья: Сб. науч. тр. /ВНИИГИС. - Октябрьский, 1988. - С. 59-64 (совместно с Журбицким Б.И., Епископосовым К.С.)

28. Методическое руководство по скважкнной элекгротомографии для изучения тектоники угленосных отложений ! ВНИГРИУголь. - Ростов-на-Дону, 1991. - 57 с. (совместно с Порфилкиным Э.Г., Подгорной JI.E., Карпинским Д.Н.)

29. Скважинная радиоволновая томография на угольных месторождениях (информационный листок) //Ростовский центр научно-технической информации. - Ростов-на-Дону, 1992. - 4 с. (совместно с Журбицким Б.И., Порфилкиным Э.Г.)

30. Использование скважинной радиоволновой томографии на угольных месторождениях//ДАН России. - 1992. Т. 325. - N6. - С. 1206-1208.

31. Применение скважинной электроразведки при проведении специальных буровых работ/,Уголь Украины. - 1993. -N5. -С. 37-38.

32. Определение пространственного положения разрывных нарушений по результатам МПЭФ-С //Разведка и охрана недр. - 1994. - N3. - С. 36-37.

33. Эффективность скважинной электроразведки методом пространственной электрической фильтрации нри изучении уг ольных месторождений //Отечественная геология. - 1994. - N3. - С. 70-75.

34. Применение радиопросвечивания лав на угольных шахтах антрацитовых месторождений Донбасса //Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых юга России: Сб. науч. тр. /НГ'ГУ. - Новочеркасск, 1995. - С. 116-118 (совместно с Барановой JI.И., Журбицким Б.И., Молевым М.Д.)

35. Состояние и перспективы электрической томографии для решения задач разведки и разработки угольных месторождений //Материалы выездной сессии Научно-координационного совета по угольной геофизике, 2224 ноября 1994 г./ЕАГО. -Ростов-на-Дону, 1995. - С. 135-144 (совместно с Барановой Л.И., Журбицким Б.И.)

36. Новые геофизические методы изучения тектонических нарушений на угольных месторождениях //Геология угольных месторождений: Межвуз. науч. темат. сб. /Урал. гос. горно-геол. акад. - Екатеринбург, 1996. -Вып. 6.-С. 100-108.

37. Радиоволновая томография в угольных шахтах на антрацитовых месторождениях //Уголь,- 1996. - N 12. - С. 65-67 (совместно с Барановой Л И., Журбицким Б.И., Молевым М.Д.)

38. Особенности распределения ноля радиоволновой томографии (РВМ-Т) в антрацитовых пластах //Проблемы геологии и геоэкологии юга России

и Кавказа: Материалы междунар. науч. конф., 28 февр. - 1 марта 1997 г.: В 2-х т./НГТУ/. - Новочеркасск, 1997. Т.1. - С. 197-202 (совместно с Илларионовым A.B.)

39. Применение методов скважинной и шахтной геофизики на угольных месторождениях при изучении тектоники (аналитический обзор). -М., 1997,- 44 с. Деп. в ВИНИТИ, 2489-В97.

40. Аппаратура радиоволнового просвечивания антрацитовых пластов в шахтах. - M, 1997. - 12 с. Деп.в ВИНИТИ, 2588-В97 (совместно с Орловым C.B.)

Н.Е. Фоменко

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Фоменко, Николай Евгеньевич, Ростов-на-Дону

, / О 1 -

МИНИСТЕРСТВО ПРИВОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Всероссийский научно-исследовательский геологоразведочный институт угольных месторождений (ВНИГРИУголь)

На правах рукописи ФОМЕНКО Николай Евгеньевич

УДК 533.93/.96:550.837.001.5:551.243

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ МЕТОДАМИ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Специальность 04.00.12. Геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Ростов-на Дону

1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................... 4

1. НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕТОДАМИ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ ГЕОФИЗИКИ............................................. 12

1.1 Этапы и задачи прогнозирования тектонических нарушений на угольных месторождениях, объекты, цели.... 12

1.2 Развитие методов скважинной и шахтной геофизики на угольных месторождениях, их возможности при изучении тектонических нарушений........................ 16

1.3 Использование геофизических методов при прогнозировании тектонических нарушений в процессе геологоразведочных работ.................................. 24

2. ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ... 35

2.1 Петрофизическая характеристика угленосных отложений. 36

2.2 Физико-геологические модели основных типов разрывных нарушений в угленосных отложениях............... 46

2.3 Отображение разрывных нарушений в электрических полях при скважинных, наземных и шахтных геофизических исследованиях на угольных месторождениях....... 56

3. РАЗРАБОТКА СКВАЖИННОГО ВАРИАНТА МЕТОДА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ (МПЭФ-С) ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ..... 70

3.1 Сущность МПЭФ-С..................................... 70

3.2 Оценка разрешающей способности МПЗФ-С по результатам

моделирования и натурных наблюдений................. 87

3.3 Технология экспериментальных исследований и обработки результатов МПЭФ-С в комплексе с другими геолого-геофизическими методами............................ 105

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СКВАЖИННОЙ И ШАХТНОЙ РАДИОВОЛНОВОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ.................... 121

4.1 Предпосылки применения радиоволнового просвечивания (РВП) на угольных месторождениях................... 122

4.2 Технология экспериментальных работ при скважинной и шахтной радиоволновой томографии на угольных месторождениях.......................................... 147

4.3 Технология томографической обработки данных РВП.... 164

о д и~ лтттхгщлг < ос

ошиш"кацш............................................. хои

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 191

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Россия располагает значительной минерально-сырьевой базой для развития угольной промышленности, что достигнуто планомерным развитием отрасли в текущем столетии и самоотверженным трудом отечественных геологов. Разведаны и оценены многие угольные месторождения в таких крупных бассейнах как Донецкий, Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Южно-Якутский, Подмосковный и др. /172/.

Вместе с тем в результате проводившейся в 70-х - 80-х годах экономической политики, направленной на ускорение темпов развития отрасли, высветились негативные стороны затратного механизма, присущего углеразведке наряду с другими отраслями промышленности и сельского хозяйства, неэффективность и отсталость применяемых технологий и, как следствие, неготовность отрасли к условиям рыночных отношений. Возникший в России и странах ОНГ в 90-е годы экономический кризис заставляет специалистов активно перестраиваться, переходить на разработку более современных малозатратных технологий поисков и разведки угольных месторождений, сбор и переинтерпретацию накопленной геолого-геофизической и технической информации. В числе мероприятий по перестройке отрасли можно выделить технико-технологические и геолого-геофизические. Первые связаны с автоматизацией и компьютеризацией. Вторые - с построением структурно-геологической модели шахтного поля: чем точнее построена эта модель, тем подробнее характеризуются горно-геологические условия будущей эксплуатации и, следовательно, более эффективными будут горные работы /96, 97, 111/.

Переход на новые экономические рельсы не снимает проблемы восполнения и уточнения шахтного фонда, а, следовательно, опережающего прогноза горно-геологических условий отработки угольных пластов. Роль геофизических методов здесь является одной из приоритетных. Постоянную актуальность приобретает задача выявления и изучения в процессе разведки и эксплуатации угольных месторож-

дений тектонических разрывных нарушений, совершенствование соответствующих методик и технологий их изучения и прогнозирования.

Многолетняя практика показала, что из комплекса геофизических методов при изучении тектонических нарушений на угольных месторождениях наиболее информативными являются сейсморазведка и электроразведка. Последняя уступает сейсморазведке в глубинности, но является более оперативной и дешевой, легко доступной для применения в скважинах и шахтах. Проблемам разработки, совершенствования и применения скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях и посвящена настоящая работа.

Основные задачи исследований.

1. Создать физико-геологическую основу применения новых скважинных и шахтных методов электроразведки с использованием выявленных специфических петрофизических характеристик разрывных нарушений, приразрывных зон и вмещающих угленосных пород и построенных по этим данным физико-геологических моделей (ФГМ).

2. Исследовать возможности пространственной физической фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина для разработки метода выявления и изучения тектонических нарушений в в околоскважинном пространстве в комплексе с другими геолого-геофизическими методами.

3. Изучить особенности распространения радиоволнового поля в угленосных отложениях и в проводящих антрацитовых пластах; сконструировать малогабаритную шахтную аппаратуру; разработать технологии скважинной и шахтной радиоволновой томографии для выявления и прогнозирования тектонических нарушений и других локальных объектов в массиве угленосных пород.

ческие системы разведки угольных месторождений. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов теоретического анализа, математического и физического моделирования, а также натурных экспериментов в Донецком каменноугольном бассейне, на отдельных угольных месторождениях Кузнецкого бассейна, Средней Азии и Дальнего Востока.

Основные научные положения. В диссертации защищаются:

1. Методика оптимизации геологоразведочных работ с использованием петрофизических закономерностей приразрывных зон и разработанных новых методов скважинной и шахтной электроразведки, которые позволяют: а) целенаправленно формировать и исследовать физико-геологические модели обьектов, б) осуществлять разработку, опробование и иерархическую увязку новых методов и рациональных технологий в условиях изменяющегося окружения, в) проводить в интерактивном режиме оптимизацию взаимных связей между двумя способами проникновения в угленосную толщу (бурением - геофизикой) .

2. Объемные петрофизические модели тектонических разрывных нарушений и угленосного массива пород в целом, отражающие выявленные эмпирические особенности: а) физические параметры закономерно изменяются в приразрывных зонах, состоящих из трещин смещения и измененных пород висячего и лежачего крыльев, в зависимости от степени преобразования угленосных пород, б) характеристики физических свойств в приразрывных зонах закономерно изменяются на разных стадиях литификации в зависимости от типа разрывного нарушения (надвиг - сброс) и его амплитуды смещения, что позволяет корректировать типовые геоэлектрические модели и обеспечивает оптимизацию геофизических методов при полевых работах, обработке данных и прогнозировании тектонической нарушенности.

3. Разработанный и доведенный до современного технологического уровня новый метод пространственной электрической фильтрации в скважинном варианте (МПЭФ-С), обеспечивающий селективное изучение нарушенности угленосных отложений: а) выявление разрывных нарушений в околоскважинном пространстве на всех стадиях по-

исков и разведки угольных месторождений, б) определение пространственного положения одиночных или серии субпараллельных разрывов, в) оценку особенностей развития тектонических нарушений в околоскважинном пространстве путем многоуровневой интерпретации при кустовых и площадных скважинных исследованиях. Технология полевых работ и обработки материалов МПЭФ-С включает применение двухзондовых регистрирующих установок, устройство малых питающих линий, цифровую регистрацию данных, вычисление аномальных отклонений индикационных параметров (коэффициентов корреляции, среднего квадратического отклонения и др.).

4. Высокоэффективная методика изучения угленосных толщ и разработанная технология скважинной и шахтной радиоволновой томографии (РВМ-Т), основанные на сформированных по результатам теоретических и экспериментальных исследований квазилучевых моделях распространения электромагнитного поля, в том числе в проводящих пластах антрацитов, в диапазоне частот 0.02-1.3 МГц. Технология включает: а) применение специальных способов гальванического возбуждения и индуктивного приема в горных выработках, что позволяет просвечивать угольные целики на расстояниях 300-500 м при мощности генератора до 5 Вт, б) использование современной малогабаритной аппаратуры, обеспечивающей импульсный режим возбуждения, запись наведенных и фоновых значений в электронную записную книжку с последующим вводом данных в компьютер через стандартный интерфейс; в) томографическую обработку результатов квазилучевыми способами, достоверность которых подтверждается моделированием томограмм прямого и обратного вариантов и последующими проверочными скважинами и горными работами.

Обоснованность и достоверность научных положений доказываются: а) согласованностью новых теоретических и экспериментальных данных современным достижениям отечественной и зарубежной угольной геофизики по прогнозированию тектонических нарушений в угленосных отложениях; б) опытом положительного использования авторских разработок другими исследователями; в) подтверждением по результатам экспериментальной проверки (буровыми и горными работами), полученных новыми методами прогнозных данных.

Научная новизна. Впервые разработаны современные высокоэффективные технологии выявления и изучения тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки, в том числе:

1. На основании оригинальных методик и взятых в шахтах в зонах разрывных нарушений образцах пород изучены петрофизические особенности приразрывных зон угленосных толщ и выявлены закономерности изменения физических свойств пород в зависимости от типа и амплитуды разрывных нарушений на разных стадиях преобразования пород. Это позволило обосновать типовые геолого-геофизические модели приразрывных зон, использующиеся при разработке методики полевых исследований и интерпретации геофизических наблюдений и геологическом истолковании.

2. В результате исследований физической фильтрации электрических полей по схеме поверхность-скважина разработан и внедрен в производство новый метод пространственной электрической фильтрации в скважинном варианте, сущность которого в экспрессной оценке тектонической нарушенности угленосной толщи в околоеква-жинном пространстве путем сравнения кривых градиента потенциала поля при его разнонаправленном возбуждении вокруг ствола скважины. Метод вписывается в существующую технологию скважинных геолого-геофизических исследований, выполняется при заключительном каротаже.

3. На основании новых воззрений и проведенных экспериментов разработаны технология скважинной радиоволновой томографии для выявления и изучения тектонических нарушений угленосных отложений в межскважинном пространстве и технология шахтной радиоволновой томографии для изучения антрацитовых угольных пластов в лавах перед их отработкой. Технологии предусматривают производство многоракурсных наблюдений и автоматизированную обработку данных экспериментальных иссследований.

Практическая ценность. Использование научных разработок позволяет:

- повысить экспрессность прогнозирования тектонической на-

рушенности и снизить затраты на производство работ;

- повысить экономическую эффективность и безопасность при разработке угольных месторождений.

1) Изучение тектоники угольных месторождений методами сква-жинной электроразведки (Временные методические указания). - Ростов-на-Дону: ВНИГРИУголь, 1988. - 55 с.

2) Методические рекомендации по изучению тектонической на-рушенности в углеразведочных скважинах. - Ростов-на-Дону: ВНИГРИУголь, 1988. - 45 с.

3) Методическое руководство по скважинной электротомографии для изучения тектоники угленосных отложений. - Ростов-на-Дону: ВНИГРИУголь, 1991. - 57 с.

Внедрение разработок осуществлялось путем непосредственного участия автора в полевых испытаниях и производственных работах в Донецком и Кузнецком бассейнах, на шахтах АО "Ростовуголь" и АО Туковуголь".

Апробация. Основные теоретические, методические и практические результаты работы докладывались и обсуждались на четырех Всесоюзных угольных совещаниях (V - Ростов-на-Дону,1977, VII -Ростов-на-Дону, 1981, VIII - Ростов-на-Дону,1986, IX - Рос-тов-на-Дону,1991), на V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (г.Звенигород Московской обл.,1991), на Всесоюзной научно-технической конференции по прогнозированию горно-геологических условий в угольных шахтах (г.Шахты Ростовской обл.,1976), на Зональной научной конференции "Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых юга России" (г.Новочеркасск Ростовской обл.,1995), на выездной сессии межведомственного координационного Совета по угольной геофизике (г. Ростов-на-Дону,1994), лекциях по курсам "Петрофизика" и "Электроразведка", читаемых автором на горно-геологическом факультете НГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.

Лично автором: 1) выдвинуты и воплощены идеи по изучению тектонически нарушенных зон в угленосных отложениях методами скважинной и шахтной электроразведки на основе глубокого изучения петрофизических особенностей приразрывных зон (отобрано и изучено более 1500 образцов углей и пород и выполнены геофизические исследования более чем в 150 углеразведочных скважинах и 40 шахтах), 2) развита концепция многоуровневого анализа при изучения тектонических нарушений с испо^ьзовднием геофизических методов и при интерпретации и истолковании экспериментальных наблюдений, 3) разработан новый метод объемной пространственой фильтрации в скважинном варианте и предложены конкретные технологические и конструкторские решения при его использовании, 4) проведены экспериментальные работы в угольных скважинах и шахтах радиоволновым методом и найден способ получения сигналов в пластах антрацитов на расстояниях более 500 м, 5) разработаны технологии скважинной и шахтной электро

Информация о работе

Фоменко, Николай Евгеньевич
доктора геолого-минералогических наук
Ростов-на-Дону, 1998
ВАК 04.00.12

Диссертация

Прогнозирование тектонических нарушений методами скважинной и шахтной электроразведки на угольных месторождениях - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы