Информационная система выявления локальных коллекторов десорбированного метана в зоне выемочного участка угольной шахты

© И.Е. Подчуфаров, С.С. Кубрин, 2011

И.Е. Подчуфаров, С.С. Кубрин

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ВЫЯВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ДЕСОРБИРОВАННОГО МЕТАНА В ЗОНЕ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ

Рассмотрены организация и построение информационной системы выявления зон расположения коллекторов, содержащих метан в выемочном участке шахты.

Ключевые слова: информационные системы, шахта, метан, коллектор..

Уровень решения научно-технических задач, связанных с оценкой состояния массива горных пород, в значительной мере определяет себестоимость добычи угля, производительность и безопасность труда. Сложность постановки и решения этих задач существенно возрастает при наличии газа в количествах и состояниях, достаточных для интенсификации геомеханических процессов. Резко возросшие в последние годы скорости подвигания очистных забоев и значительный рост размеров выемочных столбов резко интенсифицировали динамику газопритоков из пласта и отбиваемого угля; ранее приемлемые погрешности в оценках мета-нообильности комплексно-механизированных участков вышли за пределы резервов системы управления газовыделением даже на пластах, газоносностью которых ранее практически пренебрегали; наиболее привлекательны запасы коксующихся углей, но разработка таких пластов в Кузбассе уже с глубины 150 м от поверхности сопряжена с наиболее грозными природно-технологическими явлениями - внезапными выбросами газа.

Технический прогресс в угледобыче требует решений качественно нового уровня - выявления локальных участков газовых аномалий на основании причинно-следственных связей горногеологических факторов вариации газоносности углепородной толщи с пространственным представлением результата. Существующие методы оценки свойств и состояний угленосной толщи не обеспечивают решения столь широкого круга задач рудничной аэрогазодинамики с единых позиций, а как свидетельствует миро-

вой опыт, горно-экспериментальный путь инженерных решений сопровождается авариями.

Реализация указанного направления позволит заблаговременно выявить локальные участки газовых аномалий и провести их дегазацию, что в свою очередь поможет снизить метанообильность углепородной толщи и обеспечит увеличение скорости продвижения лавы, тем самым увеличив последующюю добычу угля и снизив его себестоимость, а кроме того позволит получить дополнительную прибыль за счет утилизации полученного метана.

Генезис и локализация метана в углепородном массиве

Угленосные толщи содержат достаточно многообразный набор газовых компонентов, представленных метаном, углекислым газом, азотом, тяжелыми газами (этан, пропан, бутан и пентан), водород, окись углерода, сернистый газ, сероводород, редкие газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон), однако, основными газами в углепородном массиве являются метан, азот и углекислый газ. Остальные перечисленные газы встречаются в виде незначительных примесей.

Основную опасность при ведении горных работ и основной интерес как энергоноситель, представляет, естественно газ метан. Он же является основным газовым компонентом углепородного массива. Содержание метана в газах угольных пластов увеличивается от 0 до 100 %, возрастая с увеличением глубины залегания угольных пластов.Генетически метан связан с угольными пластами и органическим веществом в горных породах. Процессы угле-накопления и последующего метаморфизма осадочной толщи сопровождались выделением в основном метана. По данным исследований прошлых лет при метаморфизме углей от марки Д до марки А выделялось 150 250 м3 метана на тонну углистого вещества.

Время формирования метана определяется геохронологическим периодом формирования углепородной толщи, т.е. совпадает с тем или иным возрастом бассейнов и месторождений. В соответствии с этим, величина газоносности в значительной степени определяется марочным составом углей. В углях марок Б газоносность практически отсутствует, угли марок Д и Г являются своего рода промежуточными в данном отношении, а вот на коксующиеся угли приходится максимум показателя газоносности, возрастая от марок ГЖ и Ж к марке К и вновь снижаясь начиная с марок Т и ОС к антрацитам.

По формам содержания газа в угольных пластах, газы могут находиться в свободном, сорбированном и растворимом виде. Впрочем, последний хотя и признается значимым, фактически не оказывает влияния на характер газодинамических осложнений при ведении выемки угля, так как связан с обводнением газосодержащей толщи, которая подвергается осушению при вскрытии, подготовке и отработке шахтного поля. Влияние процессов дренажа углепородного массива, а соответственно, и его обводнения, оказывает значительное влияние на газовое состояние массива, но не на показатели собственно газоносности.

Сорбированный газ приурочен к угольным пластам. Свободный газ может содержаться как в угольном пласте (но в малых объемах), так, преимущественно, во вмещающих породах. Участки углепородного массива, где имеется свободный газ, носят название коллекторов.

К сожалению, исторически сложилось так, что типизациями коллекторов занималась в основном не угольная, а газо-нефтяная отрасль. Это наложило определенный отпечаток на типизацию коллекторов, вследствие чего использование какой-либо типизации на угольных месторождениях всегда требует как понятийной, так и смысловой корректировки. Достаточно универсальной является типизация Г.И. Теодоровича, в которой выделяется 4 основные группы коллекторов:

I — равномерно проницаемые поровые коллекторы;

II — неравномерно проницаемые поровые коллекторы;

III — трещиноватые коллекторы;

IV — коллекторы смешанного (порово-трещинного) типа.

В свою очередь, коллекторы I и II групп делятся по проницаемости на 5 классов, чем типизация Теодоровича приближается по смыслу к типизации А.А.Ханина, составленной исключительно для вариации пористости пород. На угольных месторождениях, особенно вовлеченных в сферу горнохозяйственной деятельности, представлены коллекторы III и IV групп.

Сводная типизация коллекторов свободного газа в углепородном массиве

Учитывая, что процесс высвобождения, миграции и накопления газа имеет многофакторный характер, составляемая типизация будет иметь разветвляющийся многоуровневый характер. Можно

разделить имеющиеся коллекторы по следующим группам признаков:

1. По размерам и положению применительно к условиям залегания пород:

1. региональные и локальные;

2. сослоистые и секущие.

2. По генезису:

1. литологические;

2. тектонические;

3. техногенные;

4. комплексные.

3. По характеристике газоотдачи:

- активные;

- импульсные;

- слабонапорные.

4. По времени разгрузки:

- длительные;

- периодические.

5. По скорости накопления:

- с интенсивным питанием;

- с долговременным накоплением.

Прием (сбор и внесение) данных должен производиться строго на функциональных местах соответствующих подсистем. Заполнение геопространственной модели шахтного поля осуществляется при внесении данных с планов работ горного предприятия масштаба 1:5000, а пополнение модели проводится по результатам маркшейдерской съемки, при помощи ArcGIS АгсШю 9.3 (оцифровка бумажных планов и/или импортирование цифровых данных и редактирования их средствами ArcGIS).

Контроль данных

Передача информации между функциональным местом и базой данных должна осуществляться автоматически в режиме онлайн. Передача информации регламентируется. Контроль целостности и структурной корректности внесенной информации осуществляется базой данных в автоматическом режиме. Контроль смысловой корректности вносимой информации осуществляется оператором соответствующего функционального места. Корректировка информации осуществляется оператором соответствующего функционального рабочего места.

Контроль в маршрутах обработки данных при создании и функционировании внемашинной информационной базы осуществляется на основании принятых на предприятии правил документооборота, структуры, должностных инструкций. В качестве методов контроля в маршрутах электронной обработки данных при функционировании внутри машинной информационной базы используются стандартные методы контроля целостности базы данных. На каждом этапе обработки данных в соответствии с электронными регламентами на уровне базы данных производится соответствующая транзакция с проверкой выполнения предыдущего этапа. При несоответствии проверяемых параметров, транзакция не выполняется и пользователю показывается сообщение о не завершении предыдущего этапа технологической цепочки. Корректность изменения данных пользователем на каждом этапе контролируется при помощи триггеров информационной базы.

Обработка данных в системе осуществляется двумя методами: оператором при вводе данных в информационную систему и программным обеспечением (программными продуктами и триггерами базы данных на уровне БД) при поступлении данных.

Процесс обработки данных проходит в несколько этапов:

1.1.) Выбор характеристик аэрофотоснимков (АФС) — определение масштаба АФС, года залета аэросъемки.

1.2.) Следующим этапом обработки является подбор АФС для дешифрирования. Основным критерием выбора является расположение дешифрируемого участка в центральной части АФС. При протяженном характере участка, когда часть участка выходит за границу центральной части, следует привлечь к дешифрированию смежный АФС залета.

1.3.) После завершения выбора АФС производится оцен-

ка необходимости коррекции фотоизображения.

1.4.) Следующим этапом является обработка АФС в це-

лях линеаментного анализа. Основными применяемыми в настоящее время методами являются:

• контрастирование;

• геометрическая коррекция снимков.

1.5.) Ключевым этапом является собственно геологиче-

ское дешифрирование АФС. Проведение линеаментного анализа, выполняемого при помощи программного продукта LESSA, включает в себя три основных шага:

• Первый шаг линеаментного анализа состоит в выявлении элементарных линейных элементов-штрихов. При этом выявляются штрихи длиной в несколько элементов (от единиц до нескольких десятков). Характерное отличие подобных штрихов, полученных автоматически, от линеаментов, выделяемых при ручном дешифрировании, состоит в том, что штрихи короче, их примерно на порядок больше, и при их выделении не происходит генерализации, то есть штрихи, лежащие на одной прямой и разделенные небольшими зазорами, не объединяются.

• Второй шаг линеаментного анализа нацелен на выделение прямых, протяженных, сравнимых по длине с размером анализируемого поля изображения линеаментов. Для этого используются окна в виде полос заданной (интерактивно) ширины, пересекающих весь снимок. Рассматриваются все возможные положения полосы, отличающиеся друг от друга сдвигом на 1 элемент или поворотом на 1 градус. В каждом таком линейном окне подсчитывается плотность тех штрихов, направление которых совпадает с направлением полосы. После подсчета плотностей в интерактивном режиме, просматриваются полученные результаты. Пользователь задает интересующий его сектор направлений линеаментов и порог их выраженности. При этом на дисплее, на фоне исходного изображения, красным цветом высвечиваются штрихи, которые формируют ли-неаменты с указанными характеристиками. При увеличении порога остаются наиболее выраженные протяженные прямые линеаменты. Для совместного анализа могут совмещаться изображения линеа-ментов с разной ориентацией и/или разной выраженностью. Демонстрация и интерактивный отбор линеаментов может проводиться не только на фоне того изображения, при обработке которого линеаменты получены, но и на фоне произвольного полутонового изображения. Это позволяет производить интерактивный отбор линеаментов, полученных по одному признаку, например, фотоплотности на основании другого, например, цифровой модели рельефа.

• В ряде случаев на изображении встречаются участки, которые должны быть исключены из линеаментного анализа. Поэтому предусмотрена возможность интерактивного указания подобных участков, обводя их на экране, либо задавая характерный для них диапазон яркостей. Отметим, что иногда в зависимости от контекста требуется сохранить для анализа штрихи, лежащие на границе

исключенного участка, так и исключить их. При линеаментном анализе площадь той части полосы, которая попадает в исключенную область, не участвует в подсчете плотности штрихов и, соответственно, в определении порогов выраженности.

• Третий шаг, состоит в статистическом анализе штрихов, которые в зависимости от масштаба исследования интерпретируются пользователями, как мелкие линеаменты или трещины.

2). На следующем этапе (после завершения линеаментного анализа) осуществляется оценка проявления линеаментов в углепородном массиве и в горных выработках.

На данной стадии работ осуществляется наложение линеа-ментного рисунка на топографическую основу - план горных работ шахты, определение геоструктурных форм, соответствующих ли-неаментам, а также степень их выраженности в углепородной толще.

Пример линеаментного рисунка, полученного при дешифровании АФС при помощи программного продукта LESSA, и наложения данного рисунка на топооснову представлен на рис. 1.

3). Следующий этап - лито-тектонического анализ, этот этап включает:

• построение карты изомощностей песчаников;

• анализ полученных результатов;

• корректировку местоположения разрывных нарушений;

• выявление участков подновления палеонарушений.

Пример схемы, полученной на этапе литотектонического анализа приведен на рис. З.

Полученную таким образом информацию помещают в геопро-странственную модель шахтного поля, что в последующем позволяет специалистам - геологам определить местоположение коллекторов.

Рис. 1. Выделение линеаментного рисунка с объектами привязки АФС к топо-основе: А - АФС с результатами геологического дешифрирования; Б - линеа-ментный рисунок с объектами привязки АФС к топооснове

Хранение данных в системе осуществляется в геопростран-ственной модели шахтного поля, размещенной на отдельном сервере, в качестве сервера базы данных выступает Microsoft SQL Server 2008, редакции EXPRESS, управление

I  Газопроявления фактические и прогнозируемые.

¥ | у Во до проявления фактические и прогнозируемые.

Вывалы пород кровли.

—' Флексурные формы.

^ Синклинали и антиклинали.

Отработанная площадь и проектные лавы.

Рис. 2. Совмещенная схема геоструктурных форм и аномальных явлений в горных выработках, связанных линеаментами

Участки утонения и посадки песчаника на пласт. Разрывные тектонические нарушения. Разведочные скважины линеаменты. Разведочные скважины. Линеаменты. Отработанная плошадь и проектные лавы.

Рис. 3. Совмещенная схема литотектонического анализа

геопространственной моделью шахтного поля осуществляется на базе ArcGis Server 9.3.

Выдача данных происходит на функциональных местах. Технически выдача информации обеспечивается периферийными устройствами, предусмотренными информационной системой. Существующие основные способы доступа к данным: АРМ администратора, геолога и пользователя, клиентом для получения данных из системы служит WEB - браузер (для просмотра состояния горных работ, мест возможных коллекторов), для вывода на печать используются принтеры,

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------

Подчуфаров Иван Евгеньевич - аспирант,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Кубрин Сергей Сергевич - доктор технических наук, УРАН ИНКОН РАН,

e-mail: s_kubrin@mail.ru)

А