Способ геоэлектротомографии неустойчивой кровли угольных пластов

 

Сущность изобретения: способ геоэлектротомографии неустойчивой кровли угольных пластов, при котором в двух горных выработках заземляют токовые электроды A и B и измерительные электроды M и N, возбуждают электрическое поле через токовые электроды A и B измеряют его величину через измерительные электроды M и N, при этом электроды перемещают в соответствии с заданной схемой, все электроды заземляют в низкоомные породы кровли, измерительные электроды M и N заземляют в разных горных выработках, один из токовых электродов A заземляется рядом с измерительным электродом M, токовый электрод заземляют в той же выработке, в которой заземлен измерительный электрод N на расстоянии, в несколько раз большем, чем расстояние между электродами M и N и измерение электрического поля производят одновременно изменяя расстояние между электродами M и N. 13 ил.

Изобретение относится к способам прогнозирования горно-геологических условий добычи угля и может быть использовано при наличии возможностей заземления электродов на разных сторонах исследуемого объекта.

Известен способ прогнозирования прочности углесодержащих пород, основанный на измерении кажущегося электрического сопротивления породы и определения последующими расчетами на основании проведенных измерений прочностных параметров кровли (1). Недостатками указанного способа являются его невысокая достоверность, связанная со сложностью измерений и расчетов, а также низкая надежность.

Известен способ определения состояния массива горных пород, состоящий в том, что из специального приемопередатчика посылают электромагнитные импульсы в массив горных пород и принимают импульсы, отраженные поверхностью раздела между слоями пород с различными электрическими свойствами. После обработки импульсов получают сведения о расположении породообразующих слоев (2). Недостатком указанного способа являются невысокая достоверность и точность при определении конкретного местоположения неоднородности.

Наиболее близким по технической сущности является способ выявления зон неустойчивой кровли (представленной, например, сланцем глинистым) электрометрическим методом (3). В указанном способе электрический ток подается в массив пород генератором через токовые электроды А и В, а с помощью электродов М и N производится измерения разности потенциалов. При этом электроды А и В заземляются с расстоянием 300-500 м между ними (разность электродов) в одной горной выработке, а электроды М и N - в другой горной выработке. При неизменном расстоянии между диполями АВ и МN вся установка перемещается определенным шагом вдоль объекта исследования. Заземления всех электродов производится в пласт угля. Недостатками существующего способа являются низкая точность и достоверность прогнозирования, так как отсутствует детальное описание распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов.

Причины указанных недостатков следующие.

1. На основании анализа видимо неполного банка данных в существующем способе утверждается, что по интенсивности аномальных кривых (фиг. 1,в), полученных при различных разносах, можно судить о глубине залегания включения.

Это утверждение не соответствует действительности, что убедительно доказано физическим моделированием в электролитической ванне, результаты которого неоднократно проверены на практике и взяты за основу при создании нормативных документов. Моделировалось несколько методов, в том числе и метод симметричного электрического профилирования (далее СЭП, фиг. 1,б), а также четырехэлектродное последовательное электропросвечивание (далее ЧЭП-П, фиг. 1, а). Так, при изменении величины Р/АВ (где Р - размер включения, а АВ - расстояние между электродами А и В) интенсивность на графиках СЭП возрастает только до Р/АВ = 1 (фиг. 2) далее, при всех Р/АВ > 1, оставалась постоянной. (Следует указать, что на фиг. 2-7 представлены сводные графики физического моделирования на известной работы). Значительно сильнее интенсивность кривых изменяется в зависимости от расстояния до профиля измерений Z, расстояния от профиля измерений по вертикали вверх-вниз Y, угла между границей неоднородности и профилем измерений b.

При изменении Р/АВ в методе ЧЭП-П (фиг. 3) интенсивность кривых изменяется в очень незначительных пределах. Гораздо сильнее - при изменении Z и Y (изменение которых проводилось в соотношении их с расстояниями АВ и MN, а также с расстоянием между моделями горных выработок Lб).

Наибольшее влияние на интенсивность кривых оказывает соотношение электрических сопротивлений искомых локальных включений (зон неустойчивой кровли пластов угля) и массива горных пород. Но это существующий способ не учитывает.

2. В существующем способе утверждается, что по расстоянию между максимумами L на кривой можно определить глубину залегания неоднородности.

По результатам моделирования видно, что параметр L/Р при Р = АВ на кривых метода ЧЭП-П (фиг. 4) изменяется только от 0 до Р/АВ = 1, при Р/АВ > 1 оставаясь постоянным. Для кривых СЭП (фиг. 5) параметр L/Р изменяется при Р = (0...0,25)АВ, при Р/АВ > 0,25 оставаясь постоянным.

На параметр L/Р для графиков СЭП, как и ЧЭП-П, наибольшее влияние оказывают параметры Z, Y, и b, учет которых в существующем способе на производится.

3. Известно, что закономерность цикла осадконакоплений в период углеобразования почти всегда выдержана. Пласт угля 1 (фиг. 6) чаще всего залегает среди сланцев глинистых 2 (сланцев песчано-глинистых) далее по разрезу следуют сланцы песчаные и песчаники. Электрическое сопротивление Rk каменных углей, больше, чем у сланцев и одного порядка с песчаниками. Поэтому при заземлении электродов в пласт угля, как это предусмотрено в "...указаниях...", мы будет получать информацию не только с кровли пласта угля, но и с его почвы, обратно пропорционально соотношению их электрических сопротивлений.

На фиг. 7 показаны распределения линий равной информации (полученные по результатам физического моделирования) вокруг горных выработок 1 при исследовании пространства методами СЭП и ЧЭП-П в условиях одинаковых электрических сопротивлений пород кровли и почвы пласта угля при заземления электродов в пласт угля 2. Если в методе СЭП изолинии группируются вокруг горной выработки, то при ЧЭП-П - между горными выработками, в том и в другом случае принося информацию далеко из почвы и кровли пласта угля.

Поэтому для изучения неустойчивой кровли электроды следует заземлять только в породы кровли, которые, в силу своего меньшего электрического сопротивления, будут локализовать электрическое поле. При заземлении всех электродов в сланец глинистой 2 кровли (фиг. 8), наличие песчаника 3 и пласта угля 1 с высоким электрическим сопротивлением создает благоприятные условия для проведения необходимых измерений. Около 90% информации поступает только из этого пространства, что хорошо прослеживается по линиям равной информации.

4. В существующем способе вид теоретической кривой профилирования даже чистого (безаномального) поля (например кровли без зон ослабления пород) довольно сложен, так как является результатом суперпозиции полей заземленных электродов А и В (фиг. 9, где Г - генератор, И - измеритель). При этом интерпретация материалов исследований производится без учета теоретических кривых распределения поля (как показывает приведенный пример), что сразу же ставит под сомнение возможную эффективность исследований существующим способом, так как на фиг. 9 видно, что значения электрического сопротивления изменяются в широких пределах, в общем виде выражаясь сложным графиком: максимальные значения И Sdl44 против середины АВ, наименьшие - против места стоянки электродов А и В. В остальном поле также не линейно.

5. В существующем способе обращает на себя внимание тот факт, что линии границ зон неустойчивой кровли проводятся без применения математического аппарата, практически интуитивно (априори), о чем свидетельствуют плавные формы границ (фиг. 10 и 11, скопированные из (3)).

Целью изобретения является повышение точности и достоверности прогнозирования путем обеспечения детального описания распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектротомографии неустойчивой кровли угольных пластов, в одной горной выработке заземляют токовые электроды А и В, в другой горной выработке заземляют измерительные электроды М и N, возбуждают электрическое поле через токовые электроды А и В, измеряют его через измерительные электроды М и N, перемещая все электроды по заданной схеме; при этом токовые и измерительные электроды заземляют не в пласт угля, а в низкоомные породы кровли, измерительные электроды М и N заземляются в противоположных сторонах исследуемого объекта, один из токовых электродов А заземляется рядом с электродом М, а второй токовый электрод В относится на расстояние, в несколько раз большее расстояния между электродами М и N, измерение электрического поля производят одновременно изменяя расстояния между электродами М и N.

При проведении патентного поиска не обнаружено технических решений, в которых совокупность существенных признаков совпадала бы с совокупностью признаков предлагаемого способа, что свидетельствует о соответствии последнего критерию "новизна".

При исследовании патентной и научно-технической литературы не обнаружено технических решений, в которых содержались бы признаки, соответствующие отличительным признакам предлагаемого способа с проявлением ими тех же самых свойств для достижения цели изобретения. 3то позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "существенные отличия".

На фиг. 12 приводятся примеры реализации предлагаемого способа. Для создания равномерно распределенного электрического поля в объекте исследований токовый электрод А размещается в точке 1 на фиг. 12 на одной горной выработке, а другой токовый электрод В - на расстоянии более 2 км. Измерительный электрод М размещается рядом токовым электродом А, а второй измерительный электрод N размещается во второй горной выработке. Измерение разности потенциалов между электродами М и N осуществляется во многих точках путем переноса электродов в разные точки пространства (неустойчивой кровли). Расстояние между электродами А и В для одного замера оставалось постоянным, а между М и N - изменялось.

В предлагаемом способе ток течет между электродами А и В по неустойчивой кровле, которая является объемным проводником. Уравнение Максвелла для постоянного поля напряженностью Е выглядит так: rotE = Ф (1) Тогда Е = -gradU (2) где U - электрический потенциал.

Учитывая, что закон Ома в дифференциальной форме связывает плотность тока j и удельную электрическую проводимость r в зависимость j = rE, можно записать: j = -rgradU (3) После интегрирования уравнения 3 получаем И = Sdl (4) где: И - разность потенциалов на электродах М и N; S - электрический параметр, эквивалентный кажущейся электрической проводимости, равный S = j/r; l - расстояние между электродами М и N.

Решение уравнения 4 дает детальное описание распределения информативного электрического параметра S, а знание величин j и r позволит определить мощность Н пород неустойчивой кровли: H = jr (5) Как способ, наиболее эффективный при определении мощности трещиноватой кровли, предлагаемый способ практически реализован при картировании ложной (неустойчивой) кровли на выемочном столбе 10 восточной лавы пласта 12в на шахте 7/8 Хрустальская производственного объединения по добыче угля "Донбассантрацит".

Геологической службой шахты поставлено задание определения мощности ложной кровли в пределах указанной лавы. Ложная кровля представляет собой породы сланца глинистого мощностью 0,6 м местами до 1,5-2 и более метров, залегающие непосредственно над угольным пластом. Над породами ложной кровли залегает пропласток угля, который определяет отсутствие сцепления и, следовательно, интенсивное вывалообразование пород кровли. Электрическое сопротивление пород кровли в несколько раз меньше, чем сопротивление пласта угля и угольного прослоя.

Для проведения исследований на оконтуривающих исследуемый массив противоположных горных выработках были подготовлены места заземлений электродов. При этом измерительный электрод М заземлялся на 8 восточном конвейерном уклоне, а второй измерительный электрод - N - в 1 северном вентиляционном штреке. Один токовый электрод А заземлялся рядом возле электрода М в 8 вост. уклоне, а злектрод В заземлялся и конце 1 северного вентиляционного штрека на расстоянии более 2,5 км от места заземления электрода N (фиг. 12). На 8 вост. уклоне пара электродов А и М размещались фиксированно, а при помощи электрода N производились измерения на 1 сев. вент. штреке. При выполнении определенного количества измерений электроды А и М передвигались на следующую точку и измерения при помощи электрода N повторялись.

Все электроды заземлялись в кровлю.

После обработки материалов исследований на ЭВМ получен результат, показанный на фиг. 13. Видно, что общая мощность ложной кровли увеличивается от 1 сев. вент. штрека до 8 вост. уклона, достигая там величин в несколько метров. В середине выемочного столба наблюдается резкое изменение мощности ложной кровли, что особенно хорошо просматривается на аксонометрии изучаемого объекта.

Следует отметить, что постоянная карта изомощностей ложной кровли достаточно хорошо увязывается с данными вдоль 9 восточного конвейерного уклона, что свидетельствует о высоком качестве выполненной работы.

Ни один из известных способов не обеспечивает картирование ложной кровли пласта угля по всей площади выемочного столба с такой степенью детальности.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ НЕУСТОЙЧИВОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, при котором в двух горных выработках заземляют токовые электроды A и B и измерительные электроды M и N, возбуждают электрическое поле через токовые электроды A и B, измеряют его величину через измерительные электроды M и N, при этом перемещают электроды по заданной схеме, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности прогнозирования путем обеспечения детального описания распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов, все электроды заземляют в низкоомные породы кровли, измерительные электроды M и N заземляют в разных горных выработках, токовый электрод A заземляют рядом с измерительным электродом M, токовый электрод B заземляют в той же горной выработке, в которой заземлен измерительный электрод N на расстоянии, в несколько раз большем, чем расстояние между измерительными электродами M и N, и измерения электрического поля производят, одновременно изменяя расстояния между электродами M и N.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13