Способ геоэлектроразведки для прогноза участков неоднородной кровли угольных пластов

 

Сущность изобретения: в двух горных выработках заземляют токовые электроды А и В и измерительные электроды, возбуждают электрическое поле через токовые электроды А и В, измеряют его величину через измерительные электроды, при этом электроды перемещают в соответствии с заданной схемой перемещения. Один токовый заряд А заземляется в одной горной выработке, рядом с ним заземляется первый измерительный электрод М, на расстоянии 1,5 - 2 км от них заземляется второй токовый электрод В, а второй и третий измерительные электроды N-1 и N-2 заземляют в другой горной выработке. При этом заземляют все электроды в низкоомные породы кровли, а измерения электрического поля производят, одновременно изменяя расстояние между электролами М, N-1 и N-2. 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 к предлагаемому 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 измерение разности потенциалов. При этом электроды А и В заземляются с расстоянием 300-500 м между ними (разнос электродов) в одной горной выработке, а электроды М и N - в другой горной выработке. При неизменном расстоянии между диполями АВ и MN вся установка перемещается определенным шагом вдоль объекта исследования. Заземление всех электродов производится в пласт угля. Недостатками этого способа являются низкие 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 неполного банка данных в известном 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 [4], результаты которого неоднократно проверены на практике и взяты за основу при создании нормативных документов [5,6]. Моделировалось несколько методов, в том числе и метод симметричного электрического профилирования (далее СЭП, аналог зондирования в последнем упомянутом способе, фиг. 1б), а также четырехэлектродное последовательное электропросвечивание (далее ЧЭП-П0 фиг. 1а). 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, оставаясь постоянной. На фиг. 2-7 представлены сводные графики физического моделирования из работы [4] . 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 [4]. Но это известный способ не учитывает.

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

По результатам моделирования видно, что параметр L/P 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/P изменяется при Р = (0...0,25)АВ, при Р/АВ>0,25 оставаясь постоянным.

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

3. Известно, что закономерность цикла осадконакоплений в период углеобразования почти всегда выдержан [7]. Пласт угля 1 на 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, получают 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 заземлении 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 локализуют электрическое поле. При заземлении всех электродов в сланец глинистый 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 известном способе вид теоретической кривой профилирования даже чистого (безаномального) поля (например, кровли без зон ослабления пород) довольно сложен [5], 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 ставит под сомнение возможную эффективность исследований известным способом, так как на фиг. 9 видно, что значения электрического сопротивления изменяются в широких пределах, в общем виде выражаясь сложным графиком: максимальные значения против середины АВ, наименьшие - против места стоянки электродов А и В. В остальном поле также не линейно.

5. В известном 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 на участках неоднородной кровли угольных пластов.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе 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 все элементы заземляют не в пласт угля, а в низкоомные породы кровли. Первый токовый электрод А заземляют в одной горной выработке, второй - на расстоянии 1,5-2 км от профиля измерений, измерительный электрод М заземляют соответственно рядом с электродом А, а измерительные электроды N-1 и N-2 - во второй горной выработке, причем электрод N-2 заземляется стационарно на расстоянии 300-400 м от профиля измерений. Измерение электрического поля производят одновременно изменяя расстояния между электродами М и N-1 и N-2 при помощи перемещений электрода N-2, пару электродов АМ и N-1 и N-2 заземляют на разных сторонах исследуемого объекта.

При проведении патентного поиска не обнаружено технических решений, в которых совокупность существенных признаков совпадала бы с совокупностью признаков предлагаемого способа, что свидетельствует о состоянии 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. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "существенные отличия".

На фиг. 12 приведены примеры реализации предлагаемого способа; на фиг. 13 - иллюстрация результата.

Для создания равномерно распределенного электрического поля в объекте исследований токовый электрод А размещен в точке 1 на одной горной выработке, а токовый электрод В - на другой горной выработке на расстоянии 1,5-2 км в точке 2. Измерительный электрод М размещается рядом с токовым электродом А, N-1 - на противоположной выработке, на этой же выработке размещается электрод N-2. Измерение разности потенциалов между электродами М(N-2) и N-1 осуществляют во многих точках путем переноса электродов в разные точки пространства (неустойчивой кровли). Расстояние между электродами А и В, а также М, N-1 и N-2 изменяется.

Ток течет между электродами А и В по неустойчивой кровле, которая является объемным проводником. Уравнение Максвелла для постоянного поля напряженностью Е выглядит так rotE = (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 получают U = U = S dl , dl, (4) где U - разность потенциалов на электродах М и N; S - электрический параметр, эквивалентный кажущейся электрической проводимости, равный S = j/r; l - расстояние между парами электродом МN-1 и N-1; N-2.

Решение уравнения (4) дает детальное описание распределения информативного электрического параметра S, а значение величин j и r позволяет определить мощность Н пород неустойчивой кровли Н = jr (5) Предлагаемый способ практически реализован при картировании ложной (неустойчивой) кровли на выемочном столбе 110 лавы пласта n7н на шахте N 10 "Великомостовская" Производственного объединения по добыче угля "Укрзападуголь".

Геологической службой шахты поставлено задание - определение контура утонения пласта угля в пределах указанной лавы. Утонение пласта угля на участке размыва не сказалось на общей мощности горного массива, так как в этом месте происходит увеличение мощности непосредственной кровли, представленной сланцем песчаным, с большим количеством линзообразных включений углистого материала; с электрическим сопротивлением, меньшим, сопротивления пласта угля и вышележащей толщи пород основной кровли; с мощностью 0,5 м (в месте утонения пласта угля мощность непосредственной кровли увеличена предположительно до 1,5 м).

Для проведения исследований на оконтуривающих исследуемый массив противоположных горных выработках подготовлены места заземлений электродов. При этом измерительный электрод М заземляется на 110 бортовом штреке (фиг. 12), второй измерительный электрод N-1 - в 109 бортовом штреке на участке измерений, а третий измерительный электрод N-2 - на расстоянии 440 м от участка измерений (от края измерительного профиля) вдоль 109 бортового штрека. Один токовый электрод А заземляется рядом с электродом М в 110 штреке, а электрод В заземляется на расстоянии более 2,0 км от места заземления электрода М. Пара электродов А и М, а также электрод N-2 размещаются фиксировано. При перемещении электрода N-1 производятся измерения. При выполнении необходимого количества измерений электрода А и М передвигаются на следующую точку и измерения при помощи электрода N-1 повторяются, при этом положение места заземления электрода N-2 для всех измерений на исследуемой лаве не меняется. Все электроды заземляются в кровлю пласта угля.

После обработки материалов исследований на ЭВМ получают результат, показанный на фиг. 13. Определенная при помощи выполненных исследований мощность непосредственной кровли позволяет построить карту мощности угольного пласта (в единицах электрического сопротивления). Видно, что общая его мощность выдержана, однако резко уменьшается в виде ложбины около 109 бортового штрека, достигая там незначительных величин. Следует отметить, что постоянная карта мощностей угольного пласта достаточно хорошо увязывается с данными отработки 110 лавы, что свидетельствует о высоком качестве выполненной работы.

Ни один из известных способов не обеспечивает картирование размывов пласта угля по всей площади выемочного столба так достоверно и с такой степенью детальности.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ПРОГНОЗА УЧАСТКОВ НЕОДНОРОДНОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, при котором в двух горных выработках заземляют два токовых электрода А и В и измерительные электроды, возбуждают электрическое поле через токовые электроды А и В, измеряют его величину через измерительные электроды при этом электроды перемещают по заданной схеме, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности прогнозирования путем обеспечения детального распределения свойств пород в участках неоднородной по мощности кровли угольных пластов, один токовый электрод А заземляется в одной горной выработке, рядом с ним заземляется первый измерительный электрод М, на расстоянии 1,5 - 2 км от них заземляется второй токовый электрод В, а второй и третий измерительные электроды N-1 и N-2 заземляются во второй горной выработке, при этом все электроды заземляются в низкоомные породы кровли, а измерения производят, изменяя расстояния между электродами М, N-1 и N-2.

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