Исабек Т.К., Демин В.Ф., Хуанган Н.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Ходжаев Р.Р.

ТОО «Научно-инженерный центр «ГеоМарк»

Методология исследований и прогнозирования тектонических нарушений

Методология прогнозирования геологических нарушений в пределах исследуемого участка шахтного поля по данным геологоразведочных скважин основываются на следующих положениях.

По данным геологоразведочных скважин определяются глубины кровли и почвы пласта Д6 в точках пластопересечений. Чтобы исключить при дальнейших расчетах влияние неравномерности мощности пласта на его гипсометрию, для каждого элемента матрицы координат пластопересечений (Х, У) определяется мощность пласта. Затем из всех элементов вычисляется среднее арифметическое максимальной и минимальной величины их мощностей . Величина (где - мощность пласта -го элемента матрицы) алгебраически вычитается из значения соответствующей высотной отметки почвы (либо кровли). В результате этой операции исключается влияние неравномерности мощности пласта на его гипсометрию.

Для перехода от реальной (нерегулярной) сетки разведочных скважин к равномерной сетке, необходимой для дальнейших расчетов, выполняется двумерная интерполяция скорректированных глубин кровли и почвы пласта с шагом 25 метров по обеим координатам в границах исследуемых участков шахтных полей.

По расчетным значениям глубин в точках интерполяции с использованием известных математических методов [1,2] вычисляются величины кривизны k_x и k_y интерполяционных кривых (полиномов), аппроксимирующих линии залегания пласта по точкам интерполяции по направлениям координат Х и У также с шагом 25 м. Определение численных значений кривизны K линий изменения глубины залегания пласта в каждой конкретной точке поверхности (Х,Z) или (Y,Z) в данной работе выполняется численными методами без явного представления формул полиномов, а по значениям функции в нужных точках построенной регулярной сетки.

Действующие напряжения, возникающие при изгибах пласта и являющиеся причинами разрывных тектонических нарушений, вычисляются на основе численных значений модулей упругости вмещающих пород кровли и почвы пласта, их мощностей и величин кривизны линии гипсометрии пласта. Следует отметить, что в отчетах по геологоразведочным работам в части физико-механических свойств вмещающих пород приводятся только значения временных сопротивлений одноосному сжатию σ_сж и разрыву σ_р . Но и эти величины приведены лишь для контрольно-стволовых скважин [3], удаленных от рассматриваемого участка шахтного поля.

Для вычислений значений модулей упругости (Юнга) пород предварительно рассчитываются величины временных сопротивлений на одноосное сжатие и на разрыв σ_сж и σ_р по формулам, приведенным в [4]

- для песчаников

σ_сж = -81,5 + 81·Н^1/3 , кг/см²;

σ_р = 3,58 + 6,41·Н^1/3 , кг/см² (1)

- для алевролитов

σ_сж = 21,3 + 71·Н^1/3 , кг/см²;

σ_р = -2,52 + 4,03·Н^1/3 , кг/см²; (2)

- для аргиллитов

σ_сж = -68,3 + 65,7·Н^1/3 , кг/см²;

σ_р = -1,4 + 1,98·Н^1/3 , кг/см² , (3)

где Н – глубина пересечения конкретной разведочной скважины со слоем пород определенной литологической разности в кровле и почве пласта.

Статический модуль упругости Е вычисляется по эмпирическим формулам, полученным авторами работы [5] на основании исследований физико-механических свойств вмещающих пород Карагандинского бассейна

Е = (4,1 + 0,24· σ_сж + 83·10^-7 · σ_сж² ) ·10³ , кг/см², (4)

с коэффициентом вариации 26% или

Е = 3620· σ_р , кг/см² с коэффициентом вариации 45%.

По геологическим разрезам скважин и по базе данных группы геологического моделирования Угольного Департамента формируется специальный файл, содержащий данные о глубине расположения конкретного вида породы в кровле или почве пласта Д6 и его мощности. По вышеприведенным формулам для каждой скважины вычисляются модули упругости с учетом литологической разности пород и средневзвешенный по мощностям слоев пород модуль упругости всей принятой к расчетам толщи вмещающих пород кровли и почвы.

В приложении к отчету приведены в табличной форме «Физико-механические свойства пород кровли и почвы пласта Д6. шахта им. Ленина»,

«Физико-механические свойства пород кровли и почвы пласта Д6. шахта Тентекская» (южный блок)»

Поля распределений средневзвешенного модуля упругости и суммарной мощности пород кровли и почвы пласта рассчитываются интерполяционным методом с учетом пространственных координат скважин. Действующие напряжения разрыва при изгибе пласта на основе выполненных расчетов вычисляются по формулам

, (5)

где σ_х и σ_у - напряжения по направлениям осей координат Х и У, кг/см²;

Е – средневзвешенный модуль упругости, кг/см²;

z – суммарная мощность массива пород кровли (почвы), м;

k – расчетная кривизна изгиба пласта.

Действующие напряжения вычисляются в каждой точке интерполяции по формуле (5) с учетом распределения интерполированных величин Е, z и k в пределах участка шахтного поля по обоим направлениям координат Х и У.

За критические значения составляющих разрывных напряжений (σ_рх, σ_ру) принимаются расчетные значения действующих напряжений в зонах уже выявленных тектонических нарушений на ранее отработанных участках шахтного поля.

Дислокации разрывных тектонических нарушений на планируемых к отработке участках шахтного поля определяются по установленным в результате расчетов критическим значениям составляющих разрывных напряжений, исходя из критерия

, (6)

где - расчетные значения составляющих напряжений в произвольной точке планируемого к отработке участка шахтного поля;

σ_кр – расчетная величина разрывного напряжения в зонах выявленных (известных) нарушений, принимаемая в качестве критической.

Предварительно детально обрабатываются геологические данные и их распределение в пределах исследуемого участка (на основе нелинейной интерполяции), представленные в численных значениях и визуализациях:

мощность пласта;

мощность слоя песчаников в кровле и почве пласта;

мощность менее прочных пород кровли и почвы (аргиллитов, алевролитов) между песчаником и угольным пластом;

суммарная мощность всех пород в кровле и почве пласта;

природная метаноносность угля пласта;

физико-механические свойства пород.

Результаты анализа этой геологической информации используются для установления зональности признаков и принятия критических значений действующих напряжений при прогнозировании разрывных нарушений.

На основе проведенных исследований нами разработан аналитический метод, реализованный для прогнозирования тектонических нарушений.

Литература:

1. Березин И.С., Жидков В.П. Методы вычислений. Т1. М:,Наука, 1966, 632с.

2. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М:,Наука, 1961, 659с.

3. Геологический отчет о детальной разведке нижних горизонтов тентекской мульды – ш. 10 «Тентекская» Карагандинского бассейна. Часть II Книга 3. Текстовые приложения. Караганда, 1983 г.

4. Отчет о геологоразведочных работах на поле шахты 8-«Тентекская». Часть1.Текст. Караганда, 1971 г.

5. Корреляция взаимосвязи физических свойств горных пород
Маркман Л.Д., Гуменюк Г.Н., Половнев Г.П. и др. В кн. Современные проблемы механики горных пород. Л:,Наука, 1972 г. С-292-295.