Рассмотрены традиционные методы определения степени разведанности запасов угольных месторождений. Обоснована целесообразность внедрения сейсмических исследований углепородных массивов для своевременного прогнозирования тектонических нарушений и локальных геологических неоднородностей.
Ключевые слова: горно-геологические условия, технико-экономическое обоснование, геофизические методы, малоамплитудное нарушение, угольный пласт, сейсмические исследования.
Рентабельность, эффективность и безопасность труда в угледобывающей промышленности, как ни в какой другой отрасли производства, зависят от горно — геологических условий.Принимая во внимание то, чтов настоящее время в Кузбассе наиболее удобные с точки зрения угледобычи пласты уже отработаны, достоверный и опережающий прогноз этих условий приобретает важное, первостепенное значение.
Природные скопления полезных ископаемых относятся к месторождениям лишь в том случае, когда они могут быть предметом экономически обоснованного промышленного освоения 1. Технико-экономическое обоснование разработки шахтных полей всегда опирается на анализ условий залегания угольных пластов, их тектонической нарушенности и других геологических неоднородностей. К специфическим природным особенностям угольных месторождений, определяющим способ и технологию разработки, производственную мощность предприятия относятся высокая изменчивость морфологии, мощностей и строения угольных пластов, проявление их расщепления, наличие локальных и крупных размывов, пораженность мелкой складчатостью, малоамплитудными разрывами, крайне осложняющими ведение горных работ и выемку запасов угля.
Геологический прогноз составляется на этапе разведки и доразведки угольных месторождений по данным бурения разведочных скважин и уточняется в процессе эксплуатации шахты при отработке угольных пластов. По геологическим особенностям: выдержанности мощности, строения угольных пластов, сложности условий их залегания и горно-геологическим условиям разработки месторождения Кузбасса отнесены ко 2-ой группе (согласно «Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых») с преобладанием мощных и средней мощности пластов, слагающих сложно-складчатые и осложненные разрывными нарушениями структуры 2.
Расположение зон геологических неоднородностей в угольных пластах устанавливается путем создания пространственных моделей строения угленосного массива по сети разведочных скважин. В каждом конкретном случае определяется преимущественное влияние того или иного фактора на геометрию и плотность разведочной сети с учетом предполагаемого способа разработки месторождения. Плотность разведочной сети должна обеспечить однозначную оценку степени сложности геологического строения участка и достоверную количественную характеристику показателей кондиций, но, к сожалению, довольно часто геологический прогноз не подтверждается, особенно при наличии мелкоамплитудных тектонических нарушений и локальных геологических неоднородностей, что значительно усложняет процесс угледобычи. Геофизические исследования в скважинах при поисках и разведке углей включают: каротаж, меж- и околоскважинные исследования массива горных пород, инклино-, каверно-, термо-, резистиви-, расходометрию скважин, газовый каротаж, а также отбор образцов пород из стенок скважин боковыми стреляющими грунтоносами [1]. Различные природные особенности месторождений, физические свойства углей и вмещающих пород определяют необходимость тщательного выбора рационального комплекса угольной скважинной геофизики. При рационально подобранном комплексе геофизических исследований и качественном их проведении они существенно повышают полноту и достоверность геологической информации по скважинам. Нормативами [1, 2] при проведение детальной разведки угольных месторождений регламентировано:
обеспечение густоты разведочной сети с расстояниями между разведочными линиями 250–2000 м, между скважинами 150–1000 м в зависимости от группы сложности геологического строения и категории запасов (А, В, С1) [2];
выявление крупных и средних разрывных нарушений с вертикальными амплитудами более 10–20 м, в зависимости от группы сложности и крутизны залегания пластов [1].
Согласно вышеуказанным нормативам должна быть охарактеризована возможная степень развития малоамплитудных (т. е. амплитудой 3–10 м) разрывных нарушений, но при детальной разведке нарушения с амплитудой менее 5 м бурением выявляются только при случайном попадании скважиной на сдвоение пласта (при взбросе) или зияние (при сбросе). Соответственно, достоверная разведка разрывных нарушений с амплитудой до 10 м невозможна и не рассматривается.
После проведения разведки проводится утверждение запасов в ФБУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», затем разрабатывается проект угледобывающего предприятия. Проектировщики опираются на материалы детальной разведки массива и не представляют полной картины аномалий месторождения. В связи с этим инженерные решения при проектировании изначально не могут быть оптимальными — например, планируются к отработке комплексно-механизированные очистные забои (КМЗ) с вынимаемой мощностью пласта 2 м и с вертикальными амплитудами нарушений 8 м. Данные условия, как правило, являются непреодолимыми для отработки КМЗ, подобные аномалии при проведении горных выработок встречаются «внезапно» и часто приводят не только к обрушениям кровли, но и к выбросам угля, газа и пород, провоцируют аварийные ситуации. Далее, в соответствии с требованиями Федерального закона № 116-ФЗ от 21.07.97 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (п.2, ст. 8), любое отклонение от проекта требует внесение изменений в проект и проведения экспертизы промышленной безопасности, следовательно, работа предприятия останавливается на длительный срок.
Избежать подобных инцидентов, получить более полную информацию об аномалиях углепородного массива позволяет внедрение сейсмических методов, способствующих обеспечению, прежде всего, безопасности горных работ, поскольку большая часть аварий на угольных шахтах вызвана отсутствием достоверной информации о тектоническом строении угольного пласта впереди очистного или подготовительного забоя. Следует отметить, что в настоящее время практически весь объем сейсмических исследований в мире связан с разведкой газовых и нефтяных месторождений. Диапазон глубин залежей углеводородов h = 2000 м — 4000 м, скорость продольных упругих волн в покрывающей толще пород v = 2000–3000 м/с, диапазон частот отраженных волн f = 20–70 Гц. Это ключевые параметры, которые определяют геометрию сейсмического профиля.При сейсмической разведке угольных массивов ключевые параметры объектов разведки значительно отличаются от параметров нефтегазовых месторождений. Максимальная глубина исследования определяется техническим заданием к проекту проведения геологоразведочных работ и составляет 600–900 м.
Оптимальным методом сейсморазведки с поверхности является метод общей глубинной точки(ОГТ) — основной способ сейсморазведки, основанный на многократной регистрации и последующем накапливании сигналов сейсмических волн, отражённых под разными углами от одного и того же локального участка (точки) сейсмической границы в земной коре (рис. 1, рис. 2)
Рис. 1 Метод общей глубинной точки
Рис. 2. Пример глубинного сейсмического разреза
Проведённый анализ зарубежного опыта по применению сейсморазведки угольных месторождений показал, что данный метод во многих странах считается одним из самых перспективных. В частности, в Китае Национальная энергетическая инвестиционная корпорация в 1991 году издала программный документ, запрещающий ведение горных работ без предварительного сейсмического отчета. Первоначально проводилась только 2D сейсмика, затем угольной промышленностью Китая стала быстрыми темпами осваиваться 3D съемка. Было выявлено, что сейсмика дает возможность обнаруживать до 85 % разломов со смещением от 5м и колонны обрушения диаметром более 20 м. Детализированные геологические результаты играют важную роль в оптимизации планирования шахт.
Сейсмическое изучение районов угольных шахт позволит решить одну из главных геологических проблем — прогнозирование малоамплитудных разломов. Это можно легко сделать на временных разрезах, слайсах (рис. 3, рис. 4).
Рис. 3. Разлом на разрезе (сверху) и временной слайс (снизу)
Рис. 4. Мелкий разлом, выделенный на временном слайсе
При просмотре деталей разреза и временных слайсов определяются около 60 % разломов со смещением от 3 до 5м, которые могут быть интерпретированы исходя из данных 3D [3].
Принимая во внимания, с одной стороны, огромные экономические потери, причиной которых являются геологические неопределенности, а с другой — потенциально высокое разрешение, которое могут предоставить сейсмические технологии, напрашивается вывод о целесообразности внедрения сейсмических работ для уточнения и детализации геологических отчетов. Это особенно актуально для шахт Кузнецкого бассейна, где осложняющим фактором ведения горных работ является повышенная сейсмоактивность. С помощью сейсморазведки можно выявлять не только малоамплитудные разломы, колонны обрушения, но и области выработки в шахтах и зоны затопления. Технико-экономические обоснования, прогнозы, содержащие сейсмическую информацию, более соответствуют реальным геологическим структурами, и, следовательно, значительно надежнее.
Таким образом, геофизические исследования углепородного массива с применением сейсмических методов имеют следующие преимущества:
предоставляют незаменимую информацию для безопасного ведения горных работ, уточняя геологическое строение пласта, выявляя нарушения, выбросоопасные зоны, места ослабленной непосредственной кровли или тяжелой основной кровли;
определяют точную локализацию геологических нарушений, аномальных зон до начала отработки выемочного столба, что позволяет значительно повысить уровень промышленной безопасности, своевременно приняв меры для предотвращения возникновения аварийных ситуаций;
позволяют, организовать при необходимости упрочнение (разупрочнение) углепороднего массива;
способствуют повышению экономической эффективности угольного предприятия, позволяя более детально спланировать ведение горных работ по выемке угля.
Литература:
- Миронов К. В. Справочник геолога-угольщика. Изд. 2.М., Недра,1991, стр. 281.
- Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы. ФГУ ГКЗ. М., 2007
- Zhao Pu and Wu Xizun. How seismic has helped to change coal mining in China // First Break. — February — 2005.
