Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Гриб Н.Н. 1 Кузнецов П.Ю. 1 Сясько А.А. 1 Качаев А.В. 1
1 Технический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
В статье рассмотрена методика прогнозирования устойчивости горных пород на основе данных о литологическом составе углевмещающих пород и их физико-механических свойствах, полученных по геолого-геофизической информации в процессе разведки угольных месторождений Южно-Якутского бассейна. Установлены основные факторы, влияющие на определение достоверных показателей прочностных свойств и литологического состава горных пород. Представлены результаты опробования геолого-геофизического метода изучения литологии в разрезах скважин и доказана возможность применения данного подхода. Также установлены корреляционные связи между геофизическими параметрами и основными физико-механическими свойствами пород угольных месторождений Южно-Якутского бассейна. Приведены данные свидетельствующие о возможности использования полученных корреляционных связей (уравнений) для прогноза физико-механических свойств горных пород по данным геофизических исследований разведочных скважин. Показана возможность применения разработанной методики прогнозирования устойчивости горных пород для построения прогнозных карт устойчивости при разведке угольных месторождений.
устойчивость горных пород
углевмещающие горные породы
геофизические исследования скважин
литологический тип
физико-механические свойства горных пород
геолого-геофизический метод прогнозирования устойчивости горных пород
1. Гречухин В.В. Петрофизика угленосных формаций – М.: Недра, 1990. – 472 с.
2. Гриб Н.Н. Разработка методов прогнозирования технологических характеристик углей, литологического состава и физико- механических свойств углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна по геофизическим данным: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Кемерово, 1999. – 49 с.
3. Гриб Н.Н. Опыт применения каротажа магнитной восприимчивости при изучении угленосных отложений Южно-Якутского каменноугольного бассейна // Тез. докл. Международной геофизической конференции «Санкт-Петербург 95» – Т II. – С. 73–74.
4. Гриб Н.Н., Самохин А.В. Физико-механические свойства углевмещающих пород Южно-Якутского бассейна. – Новосибирск: Наука Сиб. предприятие РАН, 1999. – 240 с.
5. Кузнецов П.Ю. Скоморошко Ю.Н. К вопросу о достоверности определения физико-механических свойств пород в Южно-Якутском угольном бассейне // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: материалы Х международной науч.-практ. конф. Кемерово. 23-24 ноября 2004. – Кемерово, 2004. – С. 79–81.

При разведке и разработке угольных месторождений, учитывая постоянно возрастающие требования к обеспечению эффективной и безопасной разработки месторождений, возникает необходимость в получении и обеспечении прогнозирования достоверной горно-геологической информации при минимилизации затрат на ее получение. Повысить полноту и достоверность горно-геологической информации при соблюдении условия минимилизации затрат на исследования возможно за счёт привлечения геофизических методов и разработки на основе их специализированных методик получения дополнительной информации по месторождению.

Рассматриваемая в статье разработанная методика прогноза устойчивости углевмещающих пород по геофизическим данным включает в себя методы изучения литологического состава углевмещающих пород, их физико-механических свойств (ФМС) и прогнозирования устойчивости горных пород по геолого-геофизическим данным. Методика апробирована для условий Южно-Якутского угольного бассейна, а также может быть адаптирована для угольных месторождений других бассейнов.

При определении в пределах массива литологического типа горных пород необходимо учитывать, что каждый литологический тип характеризуется не только определенным гранулометрическим составом, соотношением глинистого, карбонатного и кластического материала, но и определенной степенью вторичных изменений (эпигенетических) их физических свойств.

Интерпретация материалов геофизических исследований углеразведочных скважин (ГИС) осуществлялась на основе петрофизических закономерностей, установленных в параметрических скважинах [2].

В основе интерпретации ГИС лежит петрофизическая модель:

Eqn121.wmf (1)

Сф + Сорг + Скл + Сгл + Скар = 1, (2)

где ∆tp, Eqn122.wmf, Eqn123.wmf, Eqn124.wmf, Eqn125.wmf, Eqn126.wmf, δ0, δф, δорг, δкл, δгл, δкар, Iγ, Eqn127.wmf, Eqn128.wmf, Eqn129.wmf, Eqn130.wmf, Eqn131.wmf, σп, σф, σорг, σкл, σгл, σкар – коэффициенты уравнений, имеющие физический смысл, соответственно интервального времени распространения продольной волны, объемной плотности, интенсивности естественного гамма-излучения и удельной электрической проводимости – флюида и компонентов породы (органического, обломочного, глинистого и карбонатного материала); Сф, Сорг, Скл, Сгл, Скар – искомые величины: объемного содержания флюида и компонентов породы.

Решение системы петрофизических уравнений выполнялось методом последовательных приближений. В качестве начального приближения принимались значения компонент Ci , имеющего вид:

Сi=a0+a1∙f(Vp)+a2∙f(δ0)+a3∙f(Iγ)+a4∙f(σп), (3)

где aj (0 ≤ j < 4) – коэффициенты многочлена, определяемые по данным петрофизических и петрографических исследований пород параметрических скважин; f(Vp), f(δ0), f(Iγ), f(σп) функции геофизических параметров.

Опробование геолого-геофизического метода изучения литологии в разрезах скважин было выполнено на участке Локучакит Чульмаканского месторождения.

Абсолютная среднеквадратическая погрешность определения вещественного состава песчаников и алевролитов по геолого-геофизическому методу составила 4,8 % для кластического материала, 3,7 % – для глинистого материала и 5,6 % – для карбонатного материала, т.е. находится в пределах точности их определения по шлифам.

Физико-механические свойства горных пород и скорость распространения упругих волн в них зависят в основном от одних и тех же факторов, однако проявляются они неодинаково. ФМС пород в меньшей степени зависят от вещественного состава кластического материала, а определяются в основном типом и составом цемента, сцементированностью зерен литологических типов, структурно-текстурными особенностями горных пород. Наиболее объективные сведения о физико-механических свойствах массива можно получить при изучении их в естественном залегании горных пород с использованием данных геофизических исследований скважин (ГИС).

Акустические параметры характеризуют закономерности распространения в породах знакопеременных упругих деформаций. Поэтому они имеют тесные корреляционные связи с физико-механическими свойствами и функционально связаны между собой.

Объемная плотность δ0 горных пород определялась по данным плотностного гамма–гамма–каротажа с точностью ±0,05 г/см3. Если данные плотности по гамма–гамма–каротажу отсутствуют, то их рассчитывают по формулам:

– для пород, вмещающих марки каменного угля:

Eqn132.wmf (4)

– для углистых пород и углей марок каменного угля:

Eqn133.wmf (5)

где Eqn134.wmf – коэффициент, зависящий от степени литификации пород и конкретных геолого-геофизических условий исследуемой площади.

Прочностные свойства горных пород и скорость распространения упругих волн в них зависит в основном от одних и тех же факторов, однако проявляются они неодинаково. Особенно большое влияние на прочность пород оказывают тип и состав цемента, сцементированность зерен литотипов, структурно-текстурными особенностями горных пород. Одним из основных факторов, связанных с прочностными свойствами, является комплексный модуль Mст – модуль слойчатости-трещиноватости, характеризующийся количеством слойков-трещин на 1 м и углом их наклона.

Корреляционные уравнения связи прочностных свойств с акустическими параметрами имеют многомерный характер, учитывающий как кинематические параметры упругих волн (Vp, Vs), так и динамические (αp, αs), а также глубину исследуемого интервала, углы падения пластов, коэффициент, учитывающий степень литификации.

При установлении связей между геофизическими параметрами и прочностными характеристиками пород угольных месторождений Южно-Якутского бассейна анализировались уравнения [4, 5].

Eqn135.wmf (6)

Eqn136.wmf (7)

Eqn137.wmf (8)

где Kf – частотный коэффициент, зависящий от типа применяемой аппаратуры; H – глубина исследуемого интервала, м; ∆Tp – интервальное время распространения продольных волн, мкс/м; αp – коэффициент затухания продольной волны, дб/м; j – угол падения пород в радианах; σсж, σр – пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении; K1, a, a¢, b, b¢ – коэффициенты, зависящие от степени литификации пород и конкретных геолого-геофизических условий исследуемой площади.

По результатам исследований параметрических скважин, где выполнялся акустический каротаж и экспрессное опробование ФМС, расчетные и определенные свойства при испытаниях образцов керна различаются между собой менее 20 % при статистически незначимой систематической погрешности.

Акустический каротаж выполняется в ограниченном числе скважин, он возможен только в интервалах скважин, заполненных промывочной жидкостью. Поэтому в Южно-Якутском бассейне выполнены исследования и разработаны методы изучения физико-механических свойств углевмещающих пород с использованием данных рационального комплекса ГИС, которыми охватывается 100 % скважин.

Основным положением методов является соответствие стадии литификации угленосных пород соответствующей стадии метаморфизма углей и необратимость физико-механических свойств пород, приобретенных в момент максимального погружения.

Учитывая, что в условиях Южно-Якутского бассейна на петрофизические свойства в значительной степени влияет фациально-стратиграфический фактор, обязательным является гамма–каротаж (ГК), поскольку величина естественного радиационного поля массива в целом не зависит от постседиментационных преобразований.

С прочностными свойствами пород коррелирует их способность к разрушению при бурении, что находит свое косвенное отображение в изменении фактического диаметра скважин, поэтому при разработке методов использовались данные кавернометрии (КВ).

Как отмечалось выше, интенсивность естественного гамма-излучения Ig не претерпевает практически изменений при эпигенетических преобразованиях пород и криогенных процессах.

Поэтому данные гамма–каротажа (ГК) позволяют оценить глинистость и литологический состав, которые оказывают доминирующее влияние на прочностные свойства горных пород, слагающих разрезы скважин, пробуренных в многолетнемерзлых породах.

Для уточнения литологического состава и зон дробления горных пород применяется каротаж магнитной восприимчивости (КМВ), так как на магнитную восприимчивость горных пород не оказывают влияние криогенные процессы [3].

Структурно-текстурные особенности разреза оцениваются по данным кавернометрии. Данные об изменении диаметра скважины в процессе бурения можно рассматривать как интегральную характеристику прочностных свойств пород.

Из анализа материалов кавернометрии следует, что при одинаковых условиях бурения наблюдается увеличение диаметра скважины:

а) с повышением содержания в породе органических примесей;

б) с увеличением содержания глинистого цемента;

в) с уменьшением содержания карбонатного цемента, эти же факторы отражаются и на диаграммах ГК уменьшением или увеличением интенсивности естественного g-излучения. При этих же условиях происходит изменение пределов прочности на одноосное сжатие σсж и одноосное растяжение σp. Так, для Эльгинского каменноугольного месторождения уравнения для определения σсж и σp мерзлых горных пород имеют вид:

Eqn138.wmf (9)

Eqn139.wmf (10)

где ∆H – разность между глубиной скважины и глубиной, на которой производятся измерения; ∆Ig – нормированное значение естественной радиоактивности в относительных единицах.

Из статистического анализа результатов изучения прочностных свойств пород ГИС-2на Эльгинском месторождении следует, что при отсутствии систематически значимых погрешностей относительные случайные средние квадратические погрешности ниже 20 %.

Разработанные выше методы позволили прогнозировать устойчивость углевмещающих пород по геолого-геофизическим данным. Использование физических параметров угленосных пород в качестве индикаторов их устойчивости обосновано следующими факторами. Повышение скорости распространения упругих волн и удельного электрического сопротивления пород обусловлено повышением содержания в них карбонатного цемента и уменьшением пористости, что одновременно служит и фактором повышения устойчивости этих пород. Повышение электрической проводимости, интенсивности естественного и рассеянного гамма-излучений пород связано с повышением пористости и содержания в них глинистого цемента, что одновременно является причиной ослабления их устойчивости.

Неустойчивые и легкообрушаемые породы кровли сопровождаются значительным увеличением диаметра скважин в процессе бурения. Устойчивые и трудно­обрушаемые породы кровли характеризуются устойчивостью стенок скважин и весьма малым изменением их фактического диаметра по сравнению с номинальным диаметром.

При разработке геолого-геофизического метода прогнозирования устойчивости горных пород на стадии разведки угольных месторождений в Южно-Якутском бассейне, из-за отсутствия опыта эксплуатации угольных месторождений подземным способом за основу была принята геолого-геофизическая классификация по устойчивости непосредственных и обрушаемости основных кровель, разработанная профессором В.В. Гречухиным [1]. Метод разрабатывался на материалах по пласту Д19 Локучакитского участка, где по достаточно густой сети выполнены акустические исследования, позволяющие с требуемой точностью охарактеризовать физико-механические свойства углевмещающих пород. Эти данные легли в основу построения прочностных карт по основной и непосредственной кровлям. Так как на площади Локучакитского участка отсутствуют породы, которые могли бы пучиться под целевым пластом, а также породы, которые могут непредсказуемо уплотняться, то почва пласта не рассматривалась.

Для участка разработана геолого-геофизическая типизация пород кровель [4], которая содержит данные о мощности слоев, о пределах прочности на сжатие, геофизические параметры пород: электрическое сопротивление, скорость распространения продольных волн. В качестве основных параметров при определении типов пород были приняты прочностные характеристики, поскольку значения скорости распространения упругих волн, приведенного диаметра, значение естественной радиоактивности горных пород автоматически учитывалась при определении физико-механических свойств пород. Для прогнозирования устойчивости и обрушаемости пород кровель угольного пласта Д19 Локучакитского участка построены литолого-прочностные разрезы, охватывающие интервалы десятикратной мощности угольного пласта. На основании литолого-прочностных разрезов производился прогноз устойчивости и обрушаемости пород кровли угольного пласта, построены карты прочности непосредственной и основной кровли и результирующая прогнозная карта устойчивости пород непосредственной и обрушаемости пород основной кровли.

Рецензенты:

Ткач С.М., д.т.н., директор, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск;

Имаев В.С., д.г-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории сейсмологии, Институт земной коры, Сибирское отделение Российской академии наук, г. Иркутск.

Работа поступила в редакцию 11.04.2013.


Библиографическая ссылка

Гриб Н.Н., Кузнецов П.Ю., Сясько А.А., Качаев А.В. ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-2. – С. 397-401;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31521 (дата обращения: 15.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074