способ геоэлектроразведки для прогноза участков неоднородной кровли угольных пластов

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ПРОГНОЗА УЧАСТКОВ НЕОДНОРОДНОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, при котором в двух горных выработках располагают токовые электроды A и B и измерительные электроды M и N, при этом измерительные электроды M и N располагают в одной горной выработке, 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности прогнозирования неоднородности кровли путем обеспечения детального описания распределения электрических свойств пород, все электроды заземляют в низкоомные породы кровли, причем токовый электрод A заземляют в одной горной выработке, токовый электрод B заземляют в другой горной выработке, а измерение электрического поля производят, изменяя расстояние между токовыми электродами A и B при помощи перемещения токового электрода B.

Описание изобретения к патенту

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 определении 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]. Недостатками 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 производятся измерения 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 с определенным шагом вдоль объекта исследования. Заземления всех электродов производятся в пласт угля. Недостатками известного 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 неполного банка данных в известном способе утверждается, что по интенсивности аномальных кривых (фиг. 1в), 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 [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-П, 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 [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 этого известный существующий 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 (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 будут локализовать 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 сразу же 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 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 свойства пород на участках неоднородной кровли угольных пластов.

Это достигается тем, что в способе геоэлектротомографии неоднородностей 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 все электроды заземляют не в пласт угля, а в низкоомные породы кровли. Первый токовый электрод А заземляют в одной горной выработке, второй токовый электрод В - во второй горной выработке, по которой осуществляют его перемещение при сохранении постоянного места заземления электрода А, т. е. измерение электрического поля производят одновременно изменяя расстояния между электродами А и В при помощи перемещений электрода В.

При проведении патентного поиска не обнаружено технических решений, в которых совокупность существенных признаков совпала бы с совокупностью признаков заявляемого 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. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "существенные отличия".

На фиг. 12 приведен пример реализации предлагаемого способа; на фиг. 13 - иллюстрация полученного результата.

Для создания равномерно распределенного электрического поля в объекте исследований токовый электрод А размещается в точке 1 на одной горной выработке, а другой токовый электрод В - в другой горной выработке в точке 2. Измерительные электроды М и N отсутствуют, так как измеритель подключается на токовые электроды. Измерение разности потенциалов между электродами А и В осуществляют во многих точках путем переноса электродов в разные точки пространства (неустойчивой кровли). Расстояние между электродами А и В изменяется.

В предлагаемом способе ток течет между электродами А и В по неустойчивой кровле, которая является объемным проводником. Уравнение Максвелла для постоянного поля напряженностью Е (8) 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 = -r gradU (3) После интегрирования уравнения (3) получают

U = U = S dl Sdl, (4) где U - разность потенциалов на электродах А и В;

S - электрический параметр, эквивалентен кажущейся электрической проводимости, равный S = j/r;

l - расстояние между электродами А и В.

Решение уравнения (4) дает детальное описание распределения информативного электрического параметра S.

Как наиболее эффективный способ при картировании больших площадей с большой степенью детальности и большой производительностью на невыдержанных по свойствам участках массива горных пород предлагаемый способ практически реализован при картировании ложной (неустойчивой) кровли на выемочной панели 19 западной лавы на шахте 7/8 "Хрустальская" Производственного объединения по добыче угля "Донбассантрацит".

Геологической службой шахты поставлено задание: определение геологической нарушенности угольного пласта, в том числе и его тектонической нарушенности.

Непосредственная кровля пласта угля представляет собой породы сланца песчаного мощностью 0,6 м, местами до 1,5 - 2 мм и более. Электрическое сопротивление пород кровли несколько меньше, чем сопротивление пласта угля. В местах тектонических нарушений непосредственная кровля, как и угольный пласт, проявляют себя зонами повышенной трещиноватости, в которых значительно повышается электрическое сопротивление.

Для проведения исследований на оконтуривающих исследуемый массив противоположных горных выработках подготовлены места заземлений электродов. При этом электрод А заземляется на 17 западном конвейерном штреке, а измерительный электрод В - в 19 западном штреке (фиг. 12). На 17 штреке электрод А размещается фиксировано, а при помощи электрода В производят измерения на 19 зап. штреке. При выполнении определенного количества измерений электрод А передвигается на следующую точку и измерения при помощи электрода В повторяются.

Все электроды заземляются в кровлю.

После обработки материалов исследований на ЭВМ получают результат, показанный на фиг. 13. Видно, что на плане всей выемочной панели выделяется несколько тектонических зон. Так, в верхней части панели видно затухание большой складки. Аномалия в левой части вызвана мелкими нарушениями. Особенно хорошо просматриваются все эти нарушения на аксонометрии изучаемого объекта. Следует отметить, что постоянная карта электрического сопротивления непосредственной кровли достаточно хорошо увязывается с данными вдоль горных выработок, что свидетельствует о высоком качестве выполненной работы.

Известные способы не обеспечивают картирование тектонической нарушенности кровли пласта угля по всей площади выемочного столба с такой степенью детальности. Поэтому рекомендуется как можно шире использовать предлагаемый способ для решения задач прогноза неоднородностей кровли угольных пластов.