Введение к работе
Актуальность проблемы. Для обеспечения оперативного прогноза горно-геологических условий разработки угольных пластов на стадии эксплуатации интенсивно развиваются методы шахтной геофизики, среди которых доминирующее положение занимают методы пластовой сейсмо- и электроразведки. Накопленный опыт шахтных наблюдений, созданная аппа-ратурно-методическая база, результаты теоретических и модельных исследований убедительно свидетельствуют, что дальнейшее развитие шахтной геофизики в рамках адаптации достижений разведочной геофизики (полевой и скважинкой) к условиям подземных измерений имеет тупиковую перспективу. Б первую очередь это объясняется спецификой задач шахтной геофизики, которые больше соответствуют геоконтролю (мониторингу) в дискретном и. непрерывном режимах, что является следствием многофактО'рной динамики процессов и явлений различной природы, происходящих в геотехническом пространстве. Кроме того, доминирующая аналитическая школа постановки и решения задач, рассматривающая явления и .процессы в обособленности, вне существующих связей, бесперспективна при исследовании гетерогенных термодинамических систем, к которым относятся, геологические тела. Наконец, развитию шахтных геофизических исследований препятствует отсутствие системного подхода к построению геотехнического комплекса в целом, в котором геолого-геофизические методы выполняют функцию контрольных каналов наблюдения; в результате—слабая совместимость разработанных геофизических методов с технологическими, процессами на шахтах.
В этих условиях создание физических и геотехнических основ проектирования комплексных систем прогноза и контроля строения, свойств и состояния массива горных пород является актуальной проблемой горного производства и вносит вклад в развитие нового направления нелинейной динамической геофизики.
Целью работы является разработка физико-геологических основ эксплуатационного геоконтроля с позиций системологии
явлений и процессов, а также динамики физических, геологических и геофизических полей.
Идея работы заключается в широком использовании методов системного анализа для разработки петрофизических, физико-геологических и физико-технологичеоких моделей, позволяющих реализовать целостное представление геотехнического комплекса, повысить эффективность геоконтроля и определять перспективы его развития.
Методы и объекты исследования. Исследования выполнялись с использованием методов системного анализа, теории автоматического регулирования (Ляпунова), математической статистики, математического и физического моделирования. Объектами исследований явились угленосные отложения Кузнецкого, Печорского, Карагандинского, Донецкого, Подмосковного и Днепровского бассейнов, на которых был получен обширный экспериментальный материал шахтных и скважин-ных наблюдений.
Основные научные положения
-
Массив горных пород, представляющий собой гетерогенную термодинамическую суперсистему, адекватно описывается тремя фундаментальными структурированными .подсистемами—СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ и СОСТОЯНИЕ, которые с позиций геофизических исследований характеризуются отношениями групп переменных, связанных с описанием физических, геологических и геофизических полей.
-
Понятие геотехнического комплекса представлено в виде направленной метасистемы структурированных подсистем физико-геологичеокой и физико-технологической моделей, где роль каналов .наблюдений выполняют геолого-теофизические .и технологические методы контроля. Направленная метасистема адекватно описывает геотехнический комплекс.
-
Физические свойства горных пород представляют иерархическую динамическую систему, включающую доинверсион-ную, постинверсионную и техногенную фазы, что предопределяет иерархичность петрофизических и физико-геологических моделей среды. При этом ритмы динамики физических свойств интегрально определяются экзогенными, эндогенными и техногенными факторами.
-
Основными типами структурно-вещественных комплексов, представляющих собой физико-математическую абстракцию петрофизических моделей, являются пласт-волновод в .квазиодіЮ'родной среде и мелкослоистая (однородная, но анизотропная) среда. Динамика физико-геологических моделей определяется изменчивостью во времени и пространстве физических свойств среды и зависимостью вида структурно-вещественного комплекса от частоты зондирующих полей.
-
Многосвязность и динамика физических процессов, происходящих в массиве горных пород, предопределяют использование в качестве основного принцип системного компьютерного моделирования слабокоррелируемых переменных на базе статистических моделей Маркова.
-
Методологической основой создания систем геоконтроля на горных предприятиях является дискретно-непрерывный мониторинг, учитывающий динамику и нелинейность свойств массива горных пород в эноргоактивных областях.
Обоснованность и достоверность научных положений определяются исходными предпосылками работы, основаниями которых являются фундаментальные физические законы .и принципы физики горных пород и процессов, современные представления о массиве горных пород, ка.к сложной, динамической нелинейной системе; корректным применением методов системного анализа Клира, математического и физического моделирования, математической статистики Маркова, теории автоматического регулирования Ляпунова.
Научная новизна работы
-
Впервые разработаны аксиоматика и принципы системных представлений массива горных пород на базе фундаментальных функций.
-
Разработана системология понятий физико-геологической и физико-технологической моделей, совокупно определяющих направленную метасистему геотехнического комплекса.
-
Определена и научно классифицирована система факторов формирования и эволюции физических свойств массива горных пород и выявлена их иерархичность. Определены закономерности изменения свойств пород, составляющих элементарный седиментационный циклит в символических полях тектонической нарушенности и в функции современной глубины залегания.
4. Установлен механизм физико-химических процессов
эволюции физических свойств углевмещающих пород при тех
ногенном воздействии.
-
Разработаны новые принципы физико-геологического моделирования, основанные на иерархии петрофпзичсских и физико-геологических моделей (ФГМ), выделении нормальных и аномальных ФГМ.
-
Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что основными типами структурно-вещественных комплексов для электромагнитных и сеисмоакустнческих полей являются волноводные и мелкослоистые структуры. Определена область, существенная для формирования волновых полей.
7. Разработаны принципы геолого-геофизического «омллек-сирования и научная методология построения автоматизированных систем геоконтроля.
Научное значение работы состоит в разработке физико-геологических и геотехнических основ системного изучения массива горных пород на базе динамических моделей.
Практическая ценность работы заключается в:
определении основных задач эксплуатационного геоконт-роля путем выделения природных компонентов факторов до-ібьічи;
разработке технологии комплексного геолого-геофизического изучения массива горных пород;
разработке методологии создания систем геомониторинга свойств, строения и состояния массива горных пород;
оценке ^разрешающей способности и дальности методов электро- и сейсморазведки и разработке элементов методик шахтных наблюдений.
Внедрение результатов исследований. Разработанные физико-геологические и геотехнические основы подземной угольной геофизики и элементы методик шахтных наблюдений использованы:
.в нормативном документе «Временные методические указания по технологии комплексной оценки геолого-геофизическими методами горно-геологических условий отработки угольных пластов в пределах выемочного столба» (внедрен на шахтах Донецкого и Днепропетровского бассейнов и з УкрНИМИ);.
при разработке шахтной радиоволновой и сейсморазведоч-ной аппаратуры (внедрено в МакНИИ, УкрНИМИ, ДонФТИ АН Украины);
гари разработке автоматизированной системы контроля строения, свойств и состояния массива горных пород (внедрено в ИГД им. А. А. Скочинского).
Годовой экономический эффект от внедрения методических разработок по диссертации составил 845,9 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Всесоюзных научных конференциях вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физическим процессам горного производства (Москва, .1977, 1991); Всесоюзной конференции «Состоянии и пути повышения эффективности геофизических работ в Сибири и на Дальнем Востоке» (1980); Всесоюзной угольной конференции (Ростов-на-Дону, 1981); семинарах по инженерной и горной геофизике (Пасанау'ри, 1981, Сухуми, 1983); 29 Международном геофизическом симпозиуме (Варна, 1984); XXVII Международном геологическом контрессе (Москва, 1984); XVII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988); VII Всесоюзной научной школе АН СССР «Де-
формирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 1990); VIII Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах (Уфа, 1990); Всесоюзной конференции АН СССР и АН Украины «Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых» (Львов, 1991); лекциях по горной геофизике, читаемых автором в М.ГИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных трудов, в том числе 2 монографии.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 частей (6 глав) и заключения, изложенных на 267 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 171 наименования и приложения.
При выполнении исследований автор пользовался поддержкой и содействием руководства Всесоюзного объединения «Союзуглегеология» Минуглепрома СССР,'корпорации «Уголь России», ВНИМИ, ИГД им. А. А. Скочинского, Украинского НИМИ.
Автор искренне признателен своим коллегам за участие в проведенных исследованиях и оказанную помощь. Среди них прежде всего: до>кт. геол.-мин. наук, проф. Азаров Н. Я., докт. техн. наук, проф. Войтковокий Ю. Б., канд. геол.-мин. наук Черников А. Г., канд. техн. наук Исаев 10. С, канд. техн. наук Анциферов А. В., канд. геол.-мин. наук Киселев Н. Н., канд. техн. наук Тиркель М. Г., канд. техн. наук Рубан А. Д., канд. техн. наук Черняков А. Б., канд. геол.-мин. наук Майборо-да А. А., ка-нд. техн. наук Миняфаев Р. X., инж. Николаев Ю. И. н Смольник Н. А.
Особую благодарность автор приносит проф. Ямщикову В. С, советы и консультации которого способствовали написанию диссертации.