Геоинформационное обеспечение и комплексный мониторинг гео- и газодинамических процессов при высокоинтенсивной подземной угледобыче

© В.Н. Захаров, 2012

В.Н. Захаров

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОМПЛЕКСНЫЙ МОНИТОРИНГ ГЕО-И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ ПОДЗЕМНОЙ УГЛЕДОБЫЧЕ

Изложены результаты теоретических исследований и методологические подходы к формированию геоинформационного обеспечения и разработке систем комплексного мониторинга гео- и газодинамических процессов при высокоинтенсивной подземной угледобыче, позволяющие оперативно планировать и управлять горнотехнологическими процессами угольной шахты, в режиме реального времени выполнять геофизический и геомеханический мониторинг подрабатываемого массива горных пород и тем самым, повышать эффективность и безопасность ведения горных работ. Ключевые слова: геоинформационная система, мониторинг, месторождение, геофизика, геомеханика, горные породы, тектоника.

^Применение геоинформационных технологий при гео' я логоразведочных работах, строительстве и эксплуатации современных угольных шахт в настоящее время получает все более мощное развитие. Этот процесс вполне закономерен в связи с интенсивным развитием за последнее десятилетие горнопроходческого и горнодобывающего оборудования в направлении увеличения мощности и производительности, что повлекло за собой увеличение в несколько раз скоростей проходки горных выработок и отработки угольных пластов при подземных работах.

Современным горным предприятиям, работающим с применением высокопроизводительного горного оборудования необходима точная и достоверная информация о геологическом строении, пространственном залегании, нарушен-ности, напряженно-деформированном состоянии и физико-механи-ческих свойствах вмещающих пород и полезного ископаемого планируемого к отработке.

Непредвиденное изменение геологического строения, пространственного залегания, напряженно-

деформированного состояния вмещающих пород и полезного ископаемого приводит к резкому снижению производительности горного оборудования, снижению качества добываемого угля, а иногда к техногенным авариям и человеческим жертвам.

На сегодня в России при разработке проектов на строительство, расширение, реконструкцию горных предприятий не учитываются в полном объеме результаты не только геопространственное залегание твердого полезного ископаемого, но и глубинное сейсмическое зондирования, геофизическое исследование скважин (ГИС), геодинамическое районирование, которое проводится, как правило, на уже действующих предприятиях. В геологической части пояснительных записок в разделе «Тектоника» указываются только обнаруженные геологическими исследованиями до глубин 34км региональные нарушения сплошности (разломы, взбросы, надвиги) и отдельные мелкие тектонические нарушения, встреченные ранее проводимыми горными выработками. Достоверно не определяются зоны геодинамической активности, повышенного содержания метана, узлы пересечения разломов, границы блоков, являющиеся естественными каналами движения метаносодержащих глубинных флюидных потоков.

В процессе теоретических и экспериментальных работ сформирована обобщенная структура геоинформационного обеспечения, системы мониторинга и прогноза техногенных геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород при отработке месторождений (рис. 1).

Методология комплексного мониторинга технологических процессов действующего горного предприятия на базе геоинформационных технологий объединяют ряд логически взаимосвязанных этапов, позволяющих оперативно и эффективно оценивать текущую горно-геологическую и техногенную ситуацию, прогнозировать развитие гео- и газодинамических процессов, формировать оптимальную технологию отработки месторождений.

Этап 1. Создание геопространственной модели с учетом геологического строения, нарушенности и физико-

механических свойств массива горных пород по геологоразведочным данным.

При формировании геопространственной модели горного предприятия в качестве базового использовано программное обеспечение ArcGIS с большим набором библиотек обрабатывающих процедур, отдельных программных модулей, которые

создан« ге(пространственнои модели с учетом геолошчесю го строен га, н аруш ен юсти и фюи ю- механ т еских сво гагвм ассгаа горньк пород го гео/1 огоразведо чьы м данным

ана/1 из и форм ирова ние блочно-тре иу ю вагой стр/ктур ы п ол езю го ископаемого и вмещаюцис город наосюве исследованиям жеаменгюй текгонгаипо д ан ным д и ста нцю ж ого зо на, 1р ов аж я зе мли

пэверкностные геофизжескга исследования

строен га, шруше нности, фюию-

ме< анических свойств вобьемемассгаа

горьыхпородсучетомвыявлежой

линеаментной те кгон гаи

маге магиче осе моделирован га гапряжежо-дефор миров аж ого состаян и я масси ва го рн ых город в объеме и оценка главных ком ган ент тен зор а на пряжен ж '^Ч""

маге магиче снэе моделирован га геомехангаесю« процессов в массиве горных го род гри вскр ыгии и раек рой га место рождения

База

годеемные 1еофизичео<га исследования строе mя, наруиЕнносщ фюгао-меха жческих свогатвмассюа горньк пород с учета м выявлен ной га р/ше нн ости га гредьщуццк этапж .Легальный громов ieo-игазода ш мшески опасных зон.

сеисмжескт можторжгеомехажческих гроцессов [нарушенияв подрабатываемом масси в& гор (ых породи прог юз риска развития reo- и газода намт еекгк явлен ж

геоданных горного предприятия

А А

ДА

Инструментальные гаследавания геомехажческих и газодинамических свойств го рн ых по род в пр юаб ой ных зонз<

Се га мо а куст и чес ж й мониторинг 1еомехажческих проде со в разрушен иг е грюабойюм массиве горных пород и грогноз рисга развития гео-и га зод № ами чесж х яв лен ий

Виброакустгаескж можторжг юлебагельгых п роде его в в призабой юм масси ве гор гых породи прог юз риска развития reo- и газоданамшескж явлен ж

Мониторинг процессов сдагаежяи де фор мгрова ж я ма сива горных пород га * даев юй го ве р<ностии вгоргых выработках

Рис. 1. Структура геоинформационного обеспечение и комплексного мониторинга гео- и газодинамических процессов при высокоинтенсивной подземной угледобыче

позволяют настраивать интерфейс под решаемые задачи [1]. Кроме того, для получения дополнительной информации об объектах при моделировании и обработке данных дистанционного зондирования земли используется программное обеспечение ANSYS, WinLESSA, RadExpro, IMSA.

Практика разведки и эксплуатации крупных месторождений полезных ископаемых показывает, что круг производителей и потребителей информации о строении и свойствах по-

родного массива достаточно широк. В течение жизненного цикла месторождений (разведки, эксплуатации, консервации) происходит постоянный рост объема информации о породном массиве, изменяются ее источники и методы получения. Каждый новый элемент данных или способ их интерпретации, как правило, требует сопоставления результатов с ранее имеющимися и их переинтерпретации [2, 6].

Этап 2. Исследования и анализ линеаментной тектоники по данным дистанционного зондирования земли и формирование блочно-трещиноватой структуры полезного ископаемого и вмещающих пород.

Для автоматизированного анализа аэрофоснимков и кос-моснимков различного разрешения применяется программное обеспечение WinLessa. Алгоритмы анализа тоновых характеристик растровых изображений дневной поверхности отрабатываемых месторождений, основанные на преобразованиях Радона, позволяют выявлять выход тектонических нарушений под наносы в виде линеаментной тектоники с достаточно высоким разрешением. Точность привязки к топоос-нове для снимков высокого разрешения составляет порядка 0,6-1 м [3, 4].

При интерпретации результатов автоматизированного линеаментного анализа космических изображений и аэрофотоснимков формируется линеаментное поле (линеаментная текстура поверхности Земли) отражающая общее напряженно-деформированное состояние земной коры, индикаторами которого могут быть самые различные природные образования - разрывные нарушения, зоны трещиноватости, ослабленные зоны, линейные сладки и др. [5, 12].

Далее (после завершении линеаментного анализа) осуществляется оценка проявления линеаментов в массиве горных пород и в горных выработках. Проводится наложение линеаментного рисунка на топооснову и план горных работ, определение геоструктурных форм, соответствующих линеа-ментам, а также степень их выраженности в толще горных пород.

Пример линеаментного рисунка угольной шахты Кузбасса, полученного при дешифровании АФС при помощи про-

граммного продукта «WinLESSA», и наложения данного рисунка на топооснову представлен на рис. 2.

Этап 3. Поверхностные геофизические исследования строения, нарушенности, физико-механических свойств в объеме массива горных пород с учетом выявленной линеаментной тектоники.

Основная задача поверхностных геофизических исследований - детальное изучение структуры и глубины простирания тектонических нарушений прогнозируемых линеамент-ным анализом.

Рис. 2. Выделение линеаментного рисунка с объектами привязки АФС к топооснове

К поверхностным геофизическим исследованиям, как правило, относят сейсморазведку, так как это наиболее универсальный, детально проработанный методически и аппа-ратурно метод. Сейсморазведка на поверхности выполняет-

ся, в основном, площадной съемкой методом отраженных волн (МОВ) в реализации общей глубинной точки (ОГТ) и просвечивания на отраженных волнах. Комплексный метод преломленных волн (КМПВ) является вспомогательным методом сейсморазведки и выполняется по отдельным профилям с целью изучения скоростных характеристик верхней части разреза, необходимых при обработке МОВ, а также для картирования выходов разрывных нарушений и корреляции с данными линеаментного анализа. Совместный анализ реализуемых методов интерпретации сейсморазведки обеспечивает максимальную надежность прогноза строения и нарушенности исследуемого участка. На основе результатов детальной наземной сейсморазведки строятся сейсмические разрезы и структурные карты [7].

Объектом исследований являются горные породы, которые залегают в диапазоне глубин 100-5000 м.

На сейсмических разрезах выделяются серии отраженных волн. Анализ геологических данных по скважинам, позволяет привязать эти отражения к определенным литолого-страти-графическим границам.

На глубинные сейсмические разрезы также наносятся геолого-маркшейдерские данные о вскрытых и разведанных телах полезного ископаемого.

Совместный анализ сейсмогеологических разрезов позволяет выделять аномальные зоны, связанные с изменением условий залегания литологических границ, на уровне полезного ископаемого.

Этап 4. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в объеме.

Математическое моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния моделей, может выполняться с помощью программного комплекса ANSYS, который обладает большими возможностями, позволяющими решать научные и инженерные краевые задачи в области напряженно-деформированного состояния, прочности, гидродинамики, вынужденных колебаний и т.п. Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат этого программного продукта, является метод конечных элементов.

Применительно к механике деформируемого твердого тела (МДТТ) комплекс ANSYS позволяет решать следующие задачи:

- линейные и нелинейные статические задачи (нелинейности могут быть геометрические и физические);

- задачи расчета собственных форм и частот колебаний;

- задачи расчета вынужденных колебаний;

- задачи определения собственных форм потери устойчивости;

- задачи исследования динамических переходных процессов (в том числе ударного взаимодействия);

- спектральные задачи.

Моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород по строению и физико-механическим свойствам достаточно близким к натурным условиям позволяет с высокой степенью точности количественно оценивать влияние различного рода природных и техногенных факторов на компоненты тензора напряжений [8]. Выявлять потенциально опасные зоны возможного формирования и развития гео- и газодинамических явлений и ряда других техногенных процессов в массиве горных пород. На рис. 3, а, б показано изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород процесс при проходке горной выработки через тектоническое нарушение.

Этап 5. Подземные геофизические исследования и прогноз строения, нарушенности, физико-механических свойств массива горных пород с учетом выявленной нарушенности.

В качестве наиболее распространенного метода подземных геофизических исследований применяется шахтная сейсморазведка.

Шахтная сейсморазведка применяется для детального картирования выемочных столбов, количественной оценки локальных тектонических нарушений, трещиноватых зон и, как следствие, выявления локальных коллекторов метана.

Обработку данных сейсмического просвечивания выполняют в прикладном пакете программ IMSA, разработанным специалистами ИПКОН РАН. Обработка данных МОВ ОГТ выполняется по той же методике что и в наземной сейсморазведке в пакете RadExPro.

Таким образом, в результате обработки сейсмических данных получают времена прихода тех или иных волн на разных расстояниях. По ним строят томографическое восстановление геофизических параметров (рис. 4) [9, 10].

Обработка заканчивается интерпретацией выявленных однократных волн, т.е. дается характеристика изменения сейсмического разреза по горизонтали и вертикали.

Геологическая интерпритация данных сейсморазведки основывается на логической увязке всех сейсмических и геолого-геофизических данных и направлена на построение сейсмогеологических разрезов по всем профилям наблюдений.

а)

Рис. 3. а) напряженно-деформированное состояние горных пород при подходе горной выработки к тектоническому нарушению; б) напряженно-деформированное состояние горных пород при удалении горной выработки от тектонического нарушения

Рис. 4. Результаты томографического восстановления скорости максимума огибающей продольных волн в плане выемочного столба

Этап 6. Комплексный геофизический и геомеханический мониторинг процессов сдвижения и разрушения в массиве горных пород, прогноз развития гео- и газодинамических явлений.

Методически геофизический и геомеханический мониторинг предназначен для осуществления автоматизированного контроля и прогноза опасности гео- и газодинамических явлений при проведении подготовительных и очистных горных выработок с применением современной высокопроизводительной горной техники, обеспечивающей высокие скорости их подвигания и высокие темпы добычи полезного ископаемого. Проведение мониторинга в режиме реального времени определяется следующей последовательностью:

1. Разработка сейсмогеологической модели объекта мониторинга.

2. Математическое моделирование геофизических полей в массиве горных пород.

3. Двух, трехуровневый мониторинг гео- и газодинамических явлений в массиве горных пород:

- мониторинг сейсмических событий в массиве горных пород горнодобывающего предприятия;

- мониторинг сейсмоакустических событий в зоне ведения горных работ горнодобывающего предприятия;

Оператор

Сервер

Сейсмоакустический мониторинг

Тензометрический мониторинг

Сейсмический мониторинг

Канал передачи

Канал передачи

Канал передачи

Регистратор

Регистратор

Сейсмические датчики

Сейсмоакустические датчики

Тензометрические датчики

Рис. 5. Схема организации комплексного мониторинга на горном предприятии

- мониторинг виброакустических процессов в зонах ведения горных работ горнодобывающего предприятия;

- мониторинг процессов сдвижения и деформаций на подрабатываемых территориях и в горных выработках.

Мониторинг основан на комплексном использовании геофизических, геомеханических и газодинамических методов контроля и оценки состояния подрабатываемого массива и впереди забоя движущейся подготовительной или очистной горной выработки (рис. 5). Отличительной особенностью данного мониторинга является его универсальность, обеспечивающая возможность прогноза степени опасности всех известных типов гео и газодинамических явлений, диагностику основных причин их возникновения и контроль эффективности применяемых способов их предотвращения [11, 13].

В соответствии с разработанными методическими положениями мониторинга система прогнозирования опасно-

сти горных работ по гео- и газодинамическим явлениям имеет блочно-модульный принцип построения и формируется из четырех основных подсистем (блоков):

- подсистемы акустического контроля напряженно-деформированного состояния призабойного массива и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы контроля газодинамической активности призабойного массива и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы контроля сейсмической активности шахтного поля (участка) и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы геомеханического прогноза, диагностики и оценки риска газодинамических явлений.

Для прогнозирования горногеологических осложнений и определения путей эффективной подготовки массива, необходимо применение комплекса геолого-геофизических методов:

геологическое дешифрирования аэрофото- и космосним-ков с линеаментным анализом полученных результатов, сей-сморазведочное просвечивание столбов и томографическая обработка полученных данных, сейсмический и сейсмоаку-стический мониторинг гео- и газодинамических процессов в углепородных массивах в режиме реального времени.

В результате проделанной работы созданы основы методологии комплексного мониторинга технологических процессов действующего горного предприятия на базе геоинформационных технологий, позволяющие оперативно и эффективно принимать решения о безопасном ведении горных работ, снижении себестоимости продукции благодаря внедрению научно обоснованных методов и параметров управления технологическими процессами предприятия.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ArcGIS 9. Using ArcGIS Desktop - USA: ESRI 2006. - 435 c.

2. Морозов, А.Ф., Карпузов А.Ф. Геологическое картирование и географические информационные системы, - Отечественная геология, 1995.-C. 11.

3. Короновский Н.В., Златопольский А.А., Иванченко Г.Н. Автоматизированное дешифрирование космических снимков с целью структурного анализа. Исследование Земли из космоса. 1986. N 1, С. 111-118.

4. Космическая информация в геологии. - М.: Наука, 1983. - 236 с.

5. Пуговкин А.А. Компьютерная обработка результатов дешифрирования космических материалов для ресурсной оценки территорий (Карело-Кольский регион) // Исследование Земли из космоса. - 2000. - №1. - С. 67 - 71.

6. Букринский В.А. Геометрия недр. — М.: Недра, 1985. - 521 с.

7. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т.2. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 328 с.

8. Малинникова О.Н., Захаров В.Н., Филиппов Ю.А., Ковпак И.В. Геопространственное моделирование взаимодействия высотных зданий и сооружений с массивом горных пород. Горн. инф.-аналитич. бюлл. - М.: Изд-во МГГУ. 2008. - Юбилейный выпуск. - С. 59-66.

9. Ефимова Е.А., Пикус И.Ю., Якубов В.А. Использование методов цифровой томографии для изучения скальных массивов - Труды Гидропроекта, № 144, 1986. - 246 с.

10. Левшин А.Л. Поверхностные и каналовые сейсмические волны. -М.: Наука, 1973. - 176 с.

11. Захаров В.Н., Иванов Б.М., Филиппов Ю.А. Исследование акусто -эмиссионных процессов углепородного массива при отработке выемочных столбов. Труды XVIII сессии Российского акустического общества. - Таганрог. 2006 - С. 325-329.

12. Захаров В.Н., Филиппов Ю.А. Прогнозирование тектонической нарушенности угольных месторождений, по результатам линеаментного анализа космоинформации. IX Международная конференция «новые идеи в науках о земле» Российский государственный университет имени Серго Орджоникидзе (РГГРУ), апрель 2009. - С. 143.

13. Аверин А.П., Филиппов Ю.А. Интегрированная система мониторинга за динамическими процессами на горном предприятии. IX Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле» Доклады. Т. 2. - М.: РГГРУ - 2009. - С. 129. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Захаров В.Н. - профессор, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, val_zakharov@mail.ru

Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН), www.ipkonran.ru