Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ОПАСНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ КАМЕННОГО УГЛЯ И МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ, ОБРАЗОВАННОЙ ГИДРОРАЗРЫВОМ ПЛАСТА

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим безопасную подземную добычу твердых углеводородов шахтным способом. Предлагаемый способ может найти применение в области строительства новых подземных выработок и открытых карьеров с целью извлечения полезных ископаемых на поверхность и прогнозировать появление опасных ситуаций в шахтах и карьерах, находящихся долгое время в эксплуатации.

Метод добычи угля шахтным способом, основанный на извлечении полезных ископаемых на поверхность земли с помощью системы подземных выработок, известен давно. Объемы подземных выработок в шахтах достигают десятков млн тонн. Глубины добычи угля этим способом доходят до 1,3-1,5 км. Длина подземных выработок составляет десятки километров. В технологических схемах горнодобывающего предприятия шахта решает задачи рациональной отбойки и выемки угля от массива горной породы, закладки выработанного пространства, крепления призабойного пространства, управления горным давлением, вентиляции, водоотлива и охраны окружающей среды. Постоянный рост интенсивности техногенного воздействия на геосреду при добыче полезных ископаемых и возрастание глубины проникновения в земную толщу и соответствующее усложнение геологического и тектонического строения горного массива предопределяет активизацию энергообменных и деформационных процессов в породных структурах. Высокий уровень напряженности, возникающей в массиве горных пород при их выемке, приводит к выходу накопленной потенциальной энергии деформирования в виде быстро протекающих динамических процессов (горные удары, газодинамические явления и масштабных обрушений горных пород на глубине). Проблема создания мониторинговых систем, ориентированных на прогнозирование катастрофических природных и техногенных событий, особенно актуальна при отработке месторождений, находящихся в геодинамически активных регионах с высокой концентрацией шахт и рудников.

Существующие методы прогноза базируются на анализе признаков, характеризующих основные факторы, обусловливающие данные явления: горное давление, заключенный в угле газ, физико-механические свойства продуктивного пласта и пород его вмещающих. В наибольшей степени разработаны и нашли практическое применение методы прогноза внезапных выбросов угля, газа, отжимов и обрушений, а также прогноз горных ударов.

По своему назначению прогноз подразделяется на: региональный, перед вскрытием пластов, локальный и текущий. Региональный прогноз проводится на стадии геологоразведочных работ. Прогноз перед вскрытием пластов заключается в определении критической глубины, при достижении которой возникают условия для появления горных ударов.

Известен способ текущего прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения и выходу бурового штыба (Устройство для прогноза выбросоопасности пластов. Авторское свидетельство СССР №1245715, БИ №27, 1986) [1]. Этот метод прогноза применяется на угольных шахтах около 30 лет. Однако данный метод нельзя считать надежным, поскольку ему присущи следующие недостатки:

1) начальная скорость газовыделения неоднозначно связана с выбросоопасностью, так как одновременно характеризует газоносность призабойной части пласта и его проницаемость, что не может распространяться на весь угольный пласт; в случае высокой газопроницаемости можно получить критические значения начальной скорости газовыделения на низкогазоносном пласте или участке; в случае низкой газопроницаемости получают неопасные значения скорости газовыделения на высокогазоносном пласте, что, в конечном счете, приводит к авариям;

2) выбросы угля и газа происходят в процессе проведения добычи угля или проведения выработок, то есть выбросы формируются в активной фазе технологического цикла горных работ, что также не учитывается прогнозом по начальной скорости газовыделения;

3) прогноз опасной зоны пласта зависит от оператора, не поддается автоматизации и является субъективным.

Известен способ прогноза горных ударов по параметрам фазово-физического состояния (ФФС) пласта, склонного к быстропротекающему хрупкому разрушению (Способ определения выбросоопасности пластов. Авт. Свид. СССР №1384789, БИ №12, 1988) [2]. Сущность способа заключается в том, что угольный пласт рассматривается как трехфазная система (твердая часть - водонасыщенная часть - газообразная часть), в которой по отношению к жидкой фазе выделяются три характерных показателя: максимальная гигроскопическая влажность W_м.г, характеризующая сорбционный объем пор угля; показатель структуры порового пространства G_{м. г}, соответствующий доли сорбционного объема в общей пористости пласта угля; естественная влажность W_в и показатель естественного водонасыщения G_в. Измерение этих четырех показателей проводят на образцах угля, отобранных в шахте, в лабораторных условиях. Критериями, по которым определяется выбросоопасность пластов угля, служат следующие соотношения: при W_в≤W_мг или G_в≤С_м.г пласты считают склонными к горным ударам. При G_e≤0,5 и W_e≤W_м.г пласты угля считаются склонными к внезапным выбросам.

Основными недостатками способа являются его трудоемкость и дискретность измеряемых показателей и несоответствие условий залегания образцов угля в лаве и тех условий, при которых производятся измерения прогнозных характеристик. Поэтому прогноз по таким показателям не является достоверным.

Известен способ оценки сейсмической опасности в шахтах, включающий измерение распределений по времени и по энергии ряда сейсмических событий - предвестников сильных сотрясений (Способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов. Авт. Свид. СССР №1222853, БИ №13, 1986) [3]. Для проведения прогноза используют коэффициент направления временного тренда зарегистрированных сейсмических событий, среднеквадратичное значение дисперсии событий и статистический коэффициент сейсмической диффузии.

Основными недостатками способа является его трудоемкость и зашумленность техногенными помехами от механизмов, работающих в лаве. При этом этот способ не отвечает на вопрос: почему происходят выбросы газа в шахтах, продуцирующие подземные пожары и гибель людей, вследствие отравления продуктами горения газа и угля. Одними способами оценки сейсмической опасности в этих тяжелых случаях обойтись невозможно, поскольку они показывают на поведение кровли выработок и никакого отношения к газонасыщенности лавы не имеют.

Известен способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов и устройство для его осуществления (Способ прогноза выбросоопасности в очистном или подготовительном забое. Авт. Свид. СССР №1696729, БИ №45, 1991) [4]. Способ основан на регистрации событий сейсмоакустической эмиссии (САЭ), в котором прогноз осуществляют по превышению амплитуд сигналов заданного амплитудного порога в течение некоего интервала времени. Полученное значение активности сравнивается с критическим уровнем, установленным экспериментально и для конкретной лавы в месторождении.

Основным недостатком этого способа является разнообразие критических уровней, для которых необходимо проводить каждый раз экспериментальные исследования каждого угольного пласта, поскольку не установлена региональная зависимость информативных параметров акустической эмиссии на стадии подготовки к выбросоопасной ситуации в шахте, где изменяются условия залегания пластов угля.

Известен способ сейсмической диагностики геодинамического состояния горного массива. Способ основан на использовании сейсмических волн, просвечивающих основную кровлю в области очистных работ в шахте, и по результатам сейсмической регистрации строятся модели поведения горного массива, в котором учитываются особенности распределения физических параметров горных пород в зависимости от типа тектонических нарушений и аномальных изменений упругих характеристик в зонах их влияния (Устройство автоматического контроля выбросоопасности пласта при его выемке. Авт. Свид. СССР №1359205, БИ №15,1990) [5].

Способ имеет ряд существенных недостатков: слабая помехозащищенность от шумов горного оборудования; отдельные пласты имеют слабый уровень сейсмической активности, что требует большого количества накоплений для повышения отношения полезный сигнал-помеха; контролируемая активность сейсмической эмиссии характеризует не остаточный ресурс устойчивости массива, а интенсивность раскрытия трещин; контроль сейсмической активности пласта не позволяет оценить газовый фактор выбросоопасности.

Известна адаптивная автоматизированная система контроля и прогноза газопроявлений в угольных шахтах. Система предназначена для непрерывного контроля метанообильности, суфляро- и выбросоопасности горных выработок, забоев и комплексного прогноза всех видов газопроявлений. Система включает в себя: методику и программу оценки углеметановых ресурсов в горных блоках; метанообильности подготовительных выработок и выемочных участков; контроль газодинамической опасности призабойной части пласта; оценку ресурсов метана на отработанных полях; устройства кумулятивного пакера для гидроразрыва пласта. Основные направления модернизации в извлечении каменного угля связаны с широким применением вычислительной техники и новых методов обработки больших объемов информации, которая строится как информационно-измерительные и диагностические системы угольных шахт

Вместе с тем эта адаптивная система не лишена существенных недостатков, связанных в основном с тем, что эта система работает в шахте, где идут непрерывные технологические процессы разработки угольных пластов и прочее. Сбор и обработка информации требует дополнительных процедур фильтрации сигналов для снижения помех, которые приводят к встряхиванию датчиков и обрабатывающих технических систем. На процедуры фильтрации требуется дополнительное и довольно значительное время, поэтому контроль и прогноз опасных ситуаций система, хотя и обеспечивает, но не в режиме реального времени.

Известен способ управления газовыделением при отработке свиты угольных пластов. Способ заключаются в следующем. Пласты в свите отрабатывают в нисходящем порядке длинными столбами по простиранию с отводом выделяемого газа исходящей струей выемочного участка, создают газосборную емкость, в качестве которой используют выработанное пространство пласта или сеть дренажных выработок и формируют пути перетока газа из нижележащего пласта в газосборную емкость фильтрацией. Пути фильтрации газа создают бурением скважин через междупластья или бурением в междупластья с последующим образованием направленных трещин, выходящих в газосборную емкость и зону обрушения кровли нижележащего пласта. Метановоздушную смесь собирают в верхней части свода обрушения кровли и за счет перепада давления газ фильтруется по скважинам естественным путем через трещины гидроразрыва в газосборную емкость на вышележащем пласте, откуда удаляется газоотсасывающими установками. Способ сейсмоакустической диагностики геодинамического состояния угольного пласта в очистной выработке. Патент Украины №25374, БИ №12, 2007 [6].

К недостаткам способа управления газовыделением относятся следующие признаки:

1) для управления газовыделением в способе устраивают газосборную емкость, которая является выработанным пространством в шахте, куда собирается смесь метана и воздуха, что является взрывоопасной смесью;

2) для удаления этой смеси необходимо проводить операции по бурению дополнительных скважин и устраивают гидроразрыв пласта с направлением трещин в емкость газосборника;

3) давление газа в выработанном пространстве шахты, повышенное по сравнению с атмосферным, поэтому газ должен поступать в эту емкость принудительно, а не естественным образом по трещинам, где скорость поступления связана с фильтрационными потоками метана через трещины, которая может быть и низкой. По этой причине газ в большинстве своего объема будет оставаться не в газосборной емкости, а в угольном пласте, что не ликвидирует опасность его выброса вместе с породой.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего с большой вероятностью диагностировать и предупреждать возникновение опасных ситуаций при подземной добыче твердого топлива, тем самым обеспечивать безопасную подземную добычу твердых углеводородов шахтным способом.

Цель изобретения - повышение информативности прогноза опасных ситуаций при шахтном способе добычи каменных углей.

Поставленная задача решается тем, что в автоматизированном способе диагностики опасных ситуаций, возникающих при добыче каменного угля, используют наземный сейсмический мониторинг геодинамического состояния горного массива по наблюдениям за сейсмической активностью кровли пласта и его выработки, который ведут на поверхности земли на площади, перекрывающей выработку пласта, в непрерывном режиме реального времени методом пассивной сейсморазведки. Полученный материал автоматически обрабатывают, выделяя зоны аномально высокой энергии сейсмической эмиссии на площади наблюдений, определяют их площадные и глубинные координаты по алгоритму сейсмической томографии и строят карту распределения аномалий сейсмической эмиссии на площади наблюдений; по максимальным значениям энергии сейсмической эмиссии определяют координаты заложения скважины для гидроразрыва угольного пласта. Из скважины с помощью аппаратно-программного комплекса (например, «Зонд»), который обладает независимой ориентацией сейсмоприемников, расположенных ортогонально в каждом скважинном приборе, прогнозируют развитие магистральных трещин методом двойного лучепреломления поперечных волн от поверхностного источника возбуждения. После гидроразрыва осуществляют контроль направлений развития магистральных трещин в объеме лавы методом микросейсмической активности (МСА), с поверхности разбуривают площадь по направлениям развития магистральных трещин и ведут откачку газа метана из скважин.

После того как сейсмическая эмиссия выйдет на более низкий уровень, определяющий не опасную концентрацию оставшегося в пласте газа, прогнозируют возможность извлечения каменного угля, при этом, продолжая регистрировать методом МСА сейсмическую эмиссию, генерируемую угольным пластом и кровлей покрывающей толщи, включая непрерывную обработку полученного материала по выявлению последующих зон аномально высокой энергии сейсмического шума.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:

во-первых, наряду с каменным углем производится добыча газовой компоненты (метана), которая может быть использована для нужд энергетики вместо природного газа и для химической промышленности, поскольку цена метана значительно ниже стоимости природного газа, вследствие того, что скважины для его добычи разбуривают на меньшие глубины;

во-вторых, обеспечивается безопасная добыча каменного угля по причине ликвидации главной опасности для работающего в шахтах персонала большой концентрации метана в углях высокой марки;

в-третьих, можно повысить интенсивность добычи каменного угля в лавах посредством использования более производительной техники по проходке и выемки угля.

Все эти мероприятия ведут к существенному повышению производительности шахты, как отдельного горнодобывающего предприятия, так и всей отрасли в целом.

Способ осуществляют следующим образом.

На площади развития еще не выработанных угольных пластов проводят пассивные сейсморазведочные работы по технологии МСА, то есть наблюдают сейсмическую эмиссию на этой площади в режиме реального времени расстановками трехкомпонентных сейсмоприемников. Проводят обработку данных наблюдений в пакете «SAN-MCS», определяя скоростные характеристики рассеянных волн в пределах угольного пласта и глубину заложения источников сейсмической эмиссии, и находят объекты, насыщенные газом (Б.П.Дьяконов, О.Л.Кузнецов, О.Г.Раевский, И.С.Файзуллин, И.А.Чиркин, С.И.Шленкин. Способ сейсмической разведки горных пород. Патент РФ №2008697) [7].

Далее по этим выделенным аномальным зонам проводят обычную сейсморазведку на группе линейных профилей с расстоянием между ними 500 м. Длина каждого профиля не менее 1,5 км. Расстояние между сейсмоприемниками не более 10 м.

Далее проводят обработку данных профилей, определяя положение структурных границ на площадках выявленных аномалий интенсивности сейсмической эмиссии.

Далее строят геологические модели трещиноватых сред и определяют упругие модули разреза по скоростям распространения продольных и поперечных волн и их отношению (коэффициент Пуассона). Строят модель распределения напряженного состояния пород на глубине залегания угольных пластов. По этим двум моделям определяют координаты заложения скважины для гидроразрыва угольных пластов и осуществляют гидроразрыв.

После гидроразрыва осуществляют контроль направлений развития магистральных трещин в объеме лавы методом МСА, с поверхности разбуривают площадь по направлениям развития магистральных трещин и ведут откачку газа метана из скважин. После того как сейсмическая эмиссия выйдет на более низкий уровень, определяющий не опасную концентрацию оставшегося в пласте газа, прогнозируют возможность извлечения каменного угля, при этом, продолжая регистрировать методом МСА сейсмическую эмиссию, генерируемую угольным пластом и кровлей покрывающей толщи, включая непрерывную обработку полученного материала по выявлению последующих зон аномально высокой энергии сейсмического шума.

Методика прогноза параметров зон трещиноватости, образованной гидроразрывом пласта

Физическими основами новой методики прогноза является закон Доплера, устанавливающий зависимость динамических параметров волнового импульса от скорости и направления движения источника и приемника излучения. В данном случае в качестве источника излучения рассматривается фронт магистральных трещин, который распространяется вдоль простирания продуктивного пласта от нагнетательной скважины. Поскольку фронт трещиноватости распространяется по породе со скоростью гораздо меньшей, чем скорость продольной сейсмической волны, то излучение упругих волн в околоскважинное пространство будет происходить от движущегося источника. На сейсмограммах это движение отобразится в виде изменения формы годографа. Если зафиксировать годограф продольной волны сначала от неподвижного источника, расположенного в пределах мощности пласта, подвергаемого гидроразрыву, а затем такой же годограф от движения фронта трещиноватости, то разность координат сейсмоприемников, на которых регистрируется минимальное время, покажет расстояние от нагнетательной скважины до остановки фронта разрыва. В дальнейшем спектральный анализ сейсмической волны на ветвях годографов, центры которых лежат на оси нагнетательной скважины, в соответствии с эффектом Доплера, покажет, что преобладающая частота излучения упругой волны при движении источника (трещины) от скважины в сторону возрастания пикетов профиля будет увеличиваться, и наоборот уменьшаться на противоположной ветви годографа. Эта вариация частот пропорциональна отношению скоростей распространения фронта трещин и упругой продольной волны, которую излучает разрушающаяся порода.

ν=ν₀(1-cosφv_и/c_р)/(1-cosφv_c/c_р),

где ν - наблюдаемая частота сигнала; ν₀ - частота сигнала от неподвижного источника; φ - угол между расстановкой сейсмоприемников и направлением движения источника; v_и, _с - скорости относительного движения источника и сейсмоприемника; с_р - скорость распространения продольной волны в исследуемой не разрушенной среде.

В условиях технологии гидроразрыва пласта сейсмоприемники не меняют своих пространственных координат, т.е. v_c=0. Из формулы, приведенной выше, следует, что при удалении от скважины v_и=-v₀, φ=π,

ν₁=ν₀/(1+v₀/с_р);

а при приближении к регистрирующим датчикам: v_и=v₀, а φ=0, т.е.

ν₂=ν₀/(1-v₀/c_р).

При сравнении доминирующих частот на двух ветвях годографа либо для каждого канала, либо усредненных по всей длине половины расстановки будем иметь:

Δν=ν₂-ν₁=ν₀/(1+v₀/c_р)-ν₀/(1-v₀/c_p)=2ν₀(v₀/c_p).

Таким образом, независимо от состояния горной породы на глубине при наличии источника, движущегося со скоростью меньше, чем перемещение фронта упругой волны в единицу времени, сейсмоприемники будут фиксировать колебательный процесс последовательно изменяющейся частоты при удалении от нагнетательной скважины. При этом возможны два случая: первый - распространение фронта разрыва в изотропной первоначально среде, а второй - соответственно в азимутально анизотропной.

Для первого случая Δν=ν₂-ν₁=0, что говорит об удалении фронта разрыва от центра скважины с постоянной скоростью независимо от направления. Однако

ν₁=ν₂=ν₀/(1+v₀/c_p), для любого направления и сейсмоприемников, пространственные координаты которых одинаковы относительно оси нагнетательной скважины.

Во втором случае Δν=ν₂-ν₁>0 по некоторым направлениям, где ¹v₀≠²v₀. Фронт разрыва имеет тенденцию распространяться в тех направлениях, где ¹c_р<²c_p, трансформируясь из цилиндрического в эллипсоидальный. Эксцентриситет такого эллипса характеризует анизотропию пласта, а разница частот эффекта Доплера, которая будет наблюдена, составит в этом случае:

Δν=ν₂-ν₁=ν₀/(1-²v₀/²c_p)-ν₀/(1+¹v₀/¹c_p)=2ν₀(²v₀/²c_p)(1-Δc_p/²c_p)[1+ξ(1+η/2],

где ²v₀, ²c_p - минимальные величины распространения скоростей фронта разрушения и упругой волны соответственно; η=(¹v₀-²v₀)/²v₀ - показатель анизотропии скоростей распространения фронта разрыва в пласте; ξ=Δс_р/²c_р - показатель анизотропии скоростей распространения продольных волн в пласте. Последние формулы получены путем разложения функции (1±v/с)^-1 в бином с удержанием первых членов при условии, что (v/с)<1.

Таким образом, элементарный анализ ситуации с гидроразрывом пластов показывает, что, используя весь арсенал сейсмических методов и технологий регистрации упругих сейсмических волн, можно дать прогноз трещиноватых зон в динамике их развития на основе использования эффекта Доплера. Однако, для более или менее достоверного прогноза необходимо иметь в распоряжении данные о скоростных характеристиках разреза и его анизотропных свойствах на основе поляризационного сейсмического профилирования скважин. Параметры геолого-геофизической модели залежи, построенные по данным ГИС и поляризационного сейсмического профилирования скважин (ПСПС), дадут возможность использовать метод расчета напряженного состояния до и после гидроразрыва для точного прогноза параметров трещиноватой зоны, а, в конечном счете, и управлять технологией увеличения продуктивности малодебитных месторождений газа метана.

Основной эффект, на котором основан прогноз развития магистральной трещиноватости при гидроразрыве пласта, основан на принципах двойного лучепреломления обменных волн PS (поперечных Sv).

Ha Рис.1 представлены фрагменты полевых записей эффекта двойного лучепреломления поперечной обменной PS волны на кровле пород венда поперечной волны Sh.

Этот эффект возможно наблюдать только скважинными приборами, обладающими гироскопической ориентацией, которая не зависит от свойств геологических пород, слагающих прискважинное пространство.

На рис.2 показаны выкопировки сейсмограмм ПСПС скважины с распределением скоростей распространения продольных и поперечных волн по глубине, полученные аппаратно-программным комплексом цифровой скважинной аппаратуры с гироскопической ориентацией «ЗОНД». Интервал глубин 43-86 м характеризуется резкой анизотропией и проявлением эффекта двойного лучепреломления поперечной волны на быструю Sv и медленную Sh.

По этим данным с особой точностью определяют скоростные характеристики горных пород для последующего расчета напряженного состояния.

На рис.3 приведена карта распределения пластового давления (МПа) в продуктивном пласте.

Возможности сейсморазведочной методики и технологии связаны в первую очередь с новейшими отечественными разработками в области телеметрических систем сбора сейсмической информации, не обладающих существующими ныне ограничениями канальности и объемами памяти. Бескабельные системы сбора информации разработки ФГУП СНИИГГиМС позволяют проводить фактически круглосуточную регистрацию сейсмических событий независимо от площади работ. Этот метод приобретает решающее значение при прогнозе параметров гидроразрыва пласта, поскольку обеспечивает регистрацию динамики развития фронтов разрушений в режиме реального времени, например, с использованием четырехканального полевого модуля «Роса-А», работающего в автономном режиме без вмешательства оператора. Аппаратура синхронизируется по времени включения каждого регистратора относительно временного пояса Гринвичского меридиана.

Источники информации

1. Устройство для прогноза выбросоопасности пластов. Авт. Свид. СССР №1245715, БИ №27, 1986.

2. Способ определения выбросоопасности пластов. Авт. Свид. СССР №1384789, БИ №12, 1988.

3. Способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов. Авт. Свид. СССР №1222853, БИ №13, 1986.

4. Способ прогноза выбросоопасности в очистном или подготовительном забое. Авт. Свид. СССР №1696729, БИ №45, 1991.

5. Устройство автоматического контроля выбросоопасности пласта при его выемке. Авт. Свид. СССР №1559205, БИ №15, 1990.

6. Способ сейсмоакустической диагностики геодинамического состояния угольного пласта в очистной выработке. Патент Украины №25374, БИ №12, 2007.

7. Б.П.Дьяконов, О.Л.Кузнецов, О.Г.Раевский, И.С.Файзуллин, И.А.Чиркин, С.И.Шленкин. Способ сейсмической разведки горных пород. Патент РФ №2008697.

8. Способ сейсмической диагностики геодинамического состояния горного массива. Патент Украины №26538, БИ №1, 2007.