Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Краткая горно-геологическая характеристика продуктивной толщи месторождений Канско-Ачинского бассейна 7
1.2. Технологические схемы разработки вскрышных пород на разрезах КАТЭК 17
1.3. Геофизические методы выявления структурных неоднородностей в массиве горных пород 18
1.4. Цель и задачи исследования 31
2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ 35
2.1. Теоретические предпосылки метода количественной оценки динамических параметров сейсмических волн 35
2.2. Определение скорости распространения сейсмических волн в массиве вскрышных пород 47
2.3. Разработка сейсмоакустического корреляционного метода обнаружения включений на модели массива Блаораторных условиях 59
2.4. Основные положения методики обнаружения включений сейсмоакустическим корреляционным способом 46
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМ КОРРЕЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ
3.1. Аппаратура для проведения сейсмоакустических наблюдений в производственных условиях
3.2. Исследование амплитудно-частотных характеристик сейсмических волн в массиве вскрышных пород при различных способах возбуждения
3.3. Методика проведения экспериментальных работ по обнаружению включений в массиве вскрышных пород Бородинского месторождения 90
4. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ВО ВСКРЫШНЫХ ПОРОДАХ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Программа расчета интенсивности вторичных волн на поверхности массива
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета величин ФВК по данным сейсмических наблюдений
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа расчета спектральных характеристик сейсмических сигналов
- Краткая горно-геологическая характеристика продуктивной толщи месторождений Канско-Ачинского бассейна
- Теоретические предпосылки метода количественной оценки динамических параметров сейсмических волн
- Аппаратура для проведения сейсмоакустических наблюдений в производственных условиях
Введение к работе
Принятыми на ХХУІ съезде КПСС "Основными направлениями социального и экономического развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается значительное увеличение добычи угля в нашей стране, и в первую очередь - за счет освоения новых угольных месторождений Центральной и Восточной Сибири.
Одним из районов интенсивной открытой угледобычи становится Канско-Ачинский бассейн, на базе которого создается крупнейший в стране Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК). Чрезвычайно большая мощность буроугольных пластов, неглубокое пологое их залегание и простирание на значительных площадях - все эти благоприятные горно-геологические факторы предопределяют возможность добычи в бассейне дешевого энергетического угля открытым способом. В целях снижения себестоимости разработки и повышения производительности труда необходимо примененив на разрезах бассейна самого современного горнодобывающего и транспортного оборудования, в том числе - роторных экскаваторов в составе комплекса непрерывного- действия производительностью 5250 м3/час, а в перспективе - 12500 м3/часг Невысокие прочностные показатели пород, слагающих месторождения бассейна, позволяют полностью перейти на оборудование непрерывного действия как на добычных, так и на вскрышных работах при условии повышения усилия резания роторных экскаваторов до 14 кг/см2.
Фактором, сдерживающим широкое применение комплексов непрерывного действия на разрезах Канско-Ачинского бассейна, является почти повсеместное распространение крепких включений в массиве мягких вскрышных пород. Несмотря на то, что объем включений составляет не более 2f0 объема вскрыши, они значительно осложняют ведение вскрышных работ: приводят к снижению производительности роторных комплексов, вызывают аварии и простои экскаваторов.
Для эффективной эксплуатации оборудования необходимо заблаговременно обнаруживать крепкие включения в массиве и разрушать их с применением буровзрывных работ [1].
Существующие в настоящее время геофизические методы обладают недостаточной разрешающей способностью для решения задачи обнаружения включений.
Таким образом, создание сейсмоакустического способа выявления крепких включений, обладающего повышенной разрешающей способностью, является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.
Основная идея работы заключается в использовании динамических характеристик возбуждаемых в массиве высокочастотных сейсмических волн на основе корреляционного преобразования сейсмических сигналов при изучении строения толщи вскрышных пород и выявления крепких включений.
Целью работы является разработка методики обнаружения крепких включений в массиве вскрышных породах разрезов КАТЭК, обеспечивающего возможность заблаговременного разрушения включений при выемке вскрышных пород роторными экскаваторами.
Научная новизна работы состоит в следующем: - установлена теоретическая зависимость интенсивности преломленных волн, образующихся при сейсмическом исследовании массива вскрышных пород, содержащего крепкое включение, от глубины залегания и размеров включения; в качестве критерия возмущения волновой картины при сейсмическом исследовании массива вскрышных пород, содержащего крепкие включения, предложена величина максимума функции взаимной корреляции сейсмических сигналов соседних трасс; разработана методика сейсмических наблюдений для обнаружения и оконтуривания крепких включений в массиве вскрышных пород разрезов КАТЭК.
На защиту выносятся: результаты теоретического расчета относительной интенсивности преломленных волн, возникающих на границе раздела крепкого включения и вмещающего вскрышного массива; способ выделения информативной части сейсмограмм на основе вычисления величины максимума функции взаимной корреляции сейсмических сигналов; экспериментально установленные в лабораторных и производственных условиях закономерности изменения величины максимума ФВК сигналов при сейсмических исследованиях от глубины залегания и размеров включений в породном массиве; методика обнаружения крепких включений во вскрышных породах разрезов КАТЭК.
Работа выполнялась в ИГД им.А.А.Скочинского, в лаборатории свойств горных пород и массива, в соответствии с планом научно-исследовательских работ института на 1981-85 гг.
Краткая горно-геологическая характеристика продуктивной толщи месторождений Канско-Ачинского бассейна
Канско-Ачинский бассейн является уникальным в СССР и в мире по величине запасов угля. Общие геологические запасы составляют 601 млрд.т. Мощность продуктивных отложений изменяется от 230 до 700 м. Самые мощные пласты: Итатский, Березовский, Мощный, Урюп-ский, Назаровский, Бородинский достигают 85 м. Общая площадь распространения мощных пластов угля в бассейне составляет около 7,6 тыс.км2[2-6].
Бассейн расположен в зоне резко континентального климата. Колебания температуры - от -50 до +45. Продолжительность периода со средней температурой ниже 0 С составляет 182-184 дня. Среднегодовое количество осадков в Ачинской (западной) части бассейна достигает 420-520 мм, в Канской (восточной) - 300-430 мм. Средняя глубина снежного покрова на западе равна 78 см, на востоке - 22 см. Глубина промерзания почвы равна 1,5-2,5 м, вечная мерзлота в пределах бассейна отсутствует.
Создание и развитие Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса на базе Канско-Ачинских углей позволит получать самую дешевую в стране тепловую и электрическую энергию.
В настоящее время добыча угля ведется на двух разрезах -"Бородинский" и "Назаровский", которые входят в состав ПО "Крас-ноярскуголь". В период до 1990 г. намечено ввести в эксплуатацию новые разрезы: "Березовский-I", "Бородинский-2", "Урюпинский-1" (первая очередь) и реконструировать действующие разрезы, что позволит значительно увеличить объем добычи угля по сравнению с современным уровнем.
Увеличение производственной мощности угольных разрезов невозможно без применения современного мощного горнодобывающего и транспортного оборудования. Благоприятные горно-геологические условия, а именно слабонаклонное залегание угольного пласта, его большая мощность и невысокие в целом прочностные характеристики вскрышных пород позволяют при составлении проектов строительства и реконструкции ориентироваться на применение комплексов непрерывного действия и в их составе роторных экскаваторов с производительностью 5250 м3/час и более.
Теоретические предпосылки метода количественной оценки динамических параметров сейсмических волн
Как показано в разделе 1.3.4, сейсмический метод преломленных волн не позволяет обнаруживать объекты на глубинах, превышающих их поперечный размер, вследствие того, что образующаяся на включении преломленная волна не выходит в первые вступления на поверхности массива. При этом кинематический анализ не позволяет выделить информативную часть волновой картины, поскольку она оказывается замаскированной прямой волной.
Тем не менее в волновой картине и при этих условиях содержатся волны, преломленные и дифрагированные на включении и несущие информацию о его наличии. Эти волны выходят на поверхность массива в определенной зоне, размеры и местоположение которой определяются размерами включения, глубиной его залегания, критическим углом границы "вмещающий массив-включение", а также размерами зоны выхода дифрагированной волны. Сейсмические волны, зарегистрированные в этой зоне, принципиально отличаются от зарегистрированных в других точках поверхности за счет появления цугов преломленных и дифрагированных волн, то есть возникает локальное возмущение волновой картины. Интенсивность возмущающего цуга может быть оценена путем определения пути распространения преломленной волны и учета коэффициента затухания в среде.
Определение наличия возмущения волновой картины, вызванного преломленными и дифрагированными волнами, его выделение на фоне прямых волн возможно только на основе анализа динамических характеристик волновой картины: амплитуды, спектра и корреляционных соотношений. Именно функция взаимной корреляции двух сейсмических сигналов, один из которых зарегистрирован в зоне возмущения волновой картины, может служить, как будет показано далее, критерием возмущения волнового поля на поверхности массива. Такой подход открывает возможность выделять преломленные и дифрагированные на включении волны независимо от того, в каком временном окне они находятся, и тем самым создать метод обнаружения объектов с значительно большей разрешающей способностью по глубине залегания по сравнению со всеми рассмотренными ранее методами.
Для определения координат и размеров зоны возмущения проведем более подробный геометрический анализ распространения волн. Рассмотрим 3 основных случая залегания включения в массиве:
- включение залегает в среде однородной по акустическим свойствам;
- включение залегает в слабо градиентной среде;
- включение лежит в однородном слое, который, в свою очередь, находится над высокоскоростным слоем (конкерциеносным горизонтом или пропластком угля).
Все эти случаи могут иметь место в практике работ по выявлению включений (см. раздел 1.2.2), кроме того, возможны сочетания различных вариантов.
В том случае, когда включение находится в однородной среде (рис.2.1), на поверхности, начиная с расстояния ха от источника, равном [4%"] появляется в первых вступлениях головная волна, распространяющаяся со скоростью . На расстоянии жх0 эта волна замаскирована первыми вступлениями прямой волны и визуально выделена быть не может. С другой стороны, начиная с расстояния
Аппаратура для проведения сейсмоакустических наблюдений в производственных условиях
Особенности задачи выявления крепких включений во вскрышных породах сейсмическим способом предъявляют определенные требования к применяемой сейсморазведочной аппаратуре. Эти требования касаются в первую очередь частотного и динамического диапазона, а также некоторых других характеристик.
Требования к диапазону регистрируемых частот вытекают из минимальных размеров обнаруживаемых объектов (около 3 м), что вызывает необходимость регистрировать сейсмические волны такой же длины. При ориентировочной скорости распространения сейсмических волн в массиве около 380-480 м/с такая длина волны соответствует частоте 130-160 Гц. Таким образом, для обеспечения возможности регистрации преломленных и дифрагированных волн всех возможных длин частотный диапазон применяемой аппаратуры должен составлять не менее 10 600 ГЦ.
Низкочастотные составляющие сейсмической волновой картины с длиной волны, существенно превышающей размер включения, практически не взаимодействуют с включением вследствие сильной дифракции и поэтому не несут информации о строении массива. Б то же время их амплитуда, как будет показано далее, значительно превышает уровень высокочастотных составляющих, они перегружают канал регистрации аппаратуры и могут рассматриваться как дополнительная помеха. Поэтому регистрирующая аппаратура должна иметь возможность подавления низкочастотных составляющих волновой картины (до 100 Гц) с помощью фильтра верхних частот (ФВЧ).
Динамический диапазон аппаратуры определяется необходимостью регистрации полного сейсмического сигнала без ограничения амплитуды. Как показано в разделе 2.2 динамический диапазон прямых и преломленных волн при сейсмических наблюдениях составляет около 20 дБ. Кроме того, для выявления включений необходимо, чтобы тракт регистрации пропускал в неискаженном виде дифрагированные и рассеянные волны, уровень которых ориентировочно составляет -20 дБ от уровня преломленных волн. Таким образом, динамический диапазон сигнала, который должен быть зарегистрирован, составит 40 дБ.
Применение частотной фильтрации сейсмических сигналов приводит к необходимости усиления слабых высокочастотных составляющих волновой картины, имеющих, как будет показано далее, уровень порядка -20 дБ по отношению к полному сигналу. В результате суммарный динамический диапазон полного сейсмического сигнала составляет не менее 60 дБ и таким же должен быть минимальный динамический диапазон регистрирующей аппаратуры. Как известно, такой динамический диапазон не может быть обеспечен аналоговой сейсмической аппаратурой, имеющей отношение сигнал/шум не лучше 40 дБ. Поэтому для обнаружения включений во вскрышных породах должна применяться цифровая адамическим диапазоном свыше 60 дБ.
Разрабатываемый метод обнаружения включений предполагает проведение сейсмической съемки в узлах квадратной сети профилей на поверхности исследуемого массива, что требует регистрации сейсмических сигналов в большом количестве точек поверхности. Для повышения производительности сейсмических работ применяемая аппаратура должна быть многоканальной. Число каналов должно составлять не менее 8-12.
Обработка сейсмических сигналов с применением корреляционного преобразования может производиться только с использованием ЭВМ. В связи с этим сейсмическая аппаратура, предназначенная для выявления крепких включений, должна предусматривать возможность записи и хранения сейсмических сигналов на магнитном носителе, а также передачу информации с носителя в память ЭВМ в стандартном коде [G6 -7].
Расчет экономической эффективности обнаружения крепких включений во вскрышных породах угольных разрезов
Экономическая эффективность созданного метода складывается из уменьшения затрат на буровзрывные работы и снижения потерь, связанных с аварийными остановками горнодобывающего оборудования.
При существующем положении для борьбы с крепкими включениями применяется сплошное обдуривание и взрывание по сетке 4x4 м. При этом большая часть скважин оказывается пробуренными не по назначению, т.к. включения занимают лишь 2-3% от объема горной массы. Применение предлагаемого способа позволит вести бурение только на оконтуренных площадях со сгущением сети до размеров ячейки 2x2 м, что резко снижает потребность в буровых станках, сменном инструменте для них и эксплуатационных расходах.
Сгущение сети в пределах оконтуренных зон позволит более надежно разрушать крепкие включения, что, в свою очередь, благоприятно отразится на работе добычной техники. Однако, в связи с тем, что в настоящее время отсутствует статистика, учитывающая ущерб от простоя роторных комплексов, нами в расчете косвенный экономический эффект не учитывается, что позволяет считать получаемые значения эффекта заниженными по сравнению с реально достижимыми .
Расчетная оценка выполнена в соответствии с "Методикой определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений", утвержденной ГК СМ СССР по науке и технике, 1977 г.
