При разведке и разработке угольных месторождений, учитывая постоянно возрастающие требования к обеспечению эффективной и безопасной разработки месторождений, возникает необходимость в получении и обеспечении прогнозирования достоверной горно-геологической информации при минимилизации затрат на ее получение. Повысить полноту и достоверность горно-геологической информации при соблюдении условия минимилизации затрат на исследования возможно за счёт привлечения геофизических методов и разработки на основе их специализированных методик получения дополнительной информации по месторождению.
Рассматриваемая в статье разработанная методика прогноза устойчивости углевмещающих пород по геофизическим данным включает в себя методы изучения литологического состава углевмещающих пород, их физико-механических свойств (ФМС) и прогнозирования устойчивости горных пород по геолого-геофизическим данным. Методика апробирована для условий Южно-Якутского угольного бассейна, а также может быть адаптирована для угольных месторождений других бассейнов.
При определении в пределах массива литологического типа горных пород необходимо учитывать, что каждый литологический тип характеризуется не только определенным гранулометрическим составом, соотношением глинистого, карбонатного и кластического материала, но и определенной степенью вторичных изменений (эпигенетических) их физических свойств.
Интерпретация материалов геофизических исследований углеразведочных скважин (ГИС) осуществлялась на основе петрофизических закономерностей, установленных в параметрических скважинах [2].
В основе интерпретации ГИС лежит петрофизическая модель:
(1)
Сф + Сорг + Скл + Сгл + Скар = 1, (2)
где ∆tp, 
, 
, 
, 
, 
, δ0, δф, δорг, δкл, δгл, δкар, Iγ, 
, 
, 
, 
, 
, σп, σф, σорг, σкл, σгл, σкар – коэффициенты уравнений, имеющие физический смысл, соответственно интервального времени распространения продольной волны, объемной плотности, интенсивности естественного гамма-излучения и удельной электрической проводимости – флюида и компонентов породы (органического, обломочного, глинистого и карбонатного материала); Сф, Сорг, Скл, Сгл, Скар – искомые величины: объемного содержания флюида и компонентов породы.
Решение системы петрофизических уравнений выполнялось методом последовательных приближений. В качестве начального приближения принимались значения компонент Ci , имеющего вид:
Сi=a0+a1∙f(Vp)+a2∙f(δ0)+a3∙f(Iγ)+a4∙f(σп), (3)
где aj (0 ≤ j < 4) – коэффициенты многочлена, определяемые по данным петрофизических и петрографических исследований пород параметрических скважин; f(Vp), f(δ0), f(Iγ), f(σп) функции геофизических параметров.
Опробование геолого-геофизического метода изучения литологии в разрезах скважин было выполнено на участке Локучакит Чульмаканского месторождения.
Абсолютная среднеквадратическая погрешность определения вещественного состава песчаников и алевролитов по геолого-геофизическому методу составила 4,8 % для кластического материала, 3,7 % – для глинистого материала и 5,6 % – для карбонатного материала, т.е. находится в пределах точности их определения по шлифам.
Физико-механические свойства горных пород и скорость распространения упругих волн в них зависят в основном от одних и тех же факторов, однако проявляются они неодинаково. ФМС пород в меньшей степени зависят от вещественного состава кластического материала, а определяются в основном типом и составом цемента, сцементированностью зерен литологических типов, структурно-текстурными особенностями горных пород. Наиболее объективные сведения о физико-механических свойствах массива можно получить при изучении их в естественном залегании горных пород с использованием данных геофизических исследований скважин (ГИС).
Акустические параметры характеризуют закономерности распространения в породах знакопеременных упругих деформаций. Поэтому они имеют тесные корреляционные связи с физико-механическими свойствами и функционально связаны между собой.
Объемная плотность δ0 горных пород определялась по данным плотностного гамма–гамма–каротажа с точностью ±0,05 г/см3. Если данные плотности по гамма–гамма–каротажу отсутствуют, то их рассчитывают по формулам:
– для пород, вмещающих марки каменного угля:
(4)
– для углистых пород и углей марок каменного угля:
(5)
где 
– коэффициент, зависящий от степени литификации пород и конкретных геолого-геофизических условий исследуемой площади.
Прочностные свойства горных пород и скорость распространения упругих волн в них зависит в основном от одних и тех же факторов, однако проявляются они неодинаково. Особенно большое влияние на прочность пород оказывают тип и состав цемента, сцементированность зерен литотипов, структурно-текстурными особенностями горных пород. Одним из основных факторов, связанных с прочностными свойствами, является комплексный модуль Mст – модуль слойчатости-трещиноватости, характеризующийся количеством слойков-трещин на 1 м и углом их наклона.
Корреляционные уравнения связи прочностных свойств с акустическими параметрами имеют многомерный характер, учитывающий как кинематические параметры упругих волн (Vp, Vs), так и динамические (αp, αs), а также глубину исследуемого интервала, углы падения пластов, коэффициент, учитывающий степень литификации.
При установлении связей между геофизическими параметрами и прочностными характеристиками пород угольных месторождений Южно-Якутского бассейна анализировались уравнения [4, 5].
(6)
(7)
(8)
где Kf – частотный коэффициент, зависящий от типа применяемой аппаратуры; H – глубина исследуемого интервала, м; ∆Tp – интервальное время распространения продольных волн, мкс/м; αp – коэффициент затухания продольной волны, дб/м; j – угол падения пород в радианах; σсж, σр – пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении; K1, a, a¢, b, b¢ – коэффициенты, зависящие от степени литификации пород и конкретных геолого-геофизических условий исследуемой площади.
По результатам исследований параметрических скважин, где выполнялся акустический каротаж и экспрессное опробование ФМС, расчетные и определенные свойства при испытаниях образцов керна различаются между собой менее 20 % при статистически незначимой систематической погрешности.
Акустический каротаж выполняется в ограниченном числе скважин, он возможен только в интервалах скважин, заполненных промывочной жидкостью. Поэтому в Южно-Якутском бассейне выполнены исследования и разработаны методы изучения физико-механических свойств углевмещающих пород с использованием данных рационального комплекса ГИС, которыми охватывается 100 % скважин.
Основным положением методов является соответствие стадии литификации угленосных пород соответствующей стадии метаморфизма углей и необратимость физико-механических свойств пород, приобретенных в момент максимального погружения.
Учитывая, что в условиях Южно-Якутского бассейна на петрофизические свойства в значительной степени влияет фациально-стратиграфический фактор, обязательным является гамма–каротаж (ГК), поскольку величина естественного радиационного поля массива в целом не зависит от постседиментационных преобразований.
С прочностными свойствами пород коррелирует их способность к разрушению при бурении, что находит свое косвенное отображение в изменении фактического диаметра скважин, поэтому при разработке методов использовались данные кавернометрии (КВ).
Как отмечалось выше, интенсивность естественного гамма-излучения Ig не претерпевает практически изменений при эпигенетических преобразованиях пород и криогенных процессах.
Поэтому данные гамма–каротажа (ГК) позволяют оценить глинистость и литологический состав, которые оказывают доминирующее влияние на прочностные свойства горных пород, слагающих разрезы скважин, пробуренных в многолетнемерзлых породах.
Для уточнения литологического состава и зон дробления горных пород применяется каротаж магнитной восприимчивости (КМВ), так как на магнитную восприимчивость горных пород не оказывают влияние криогенные процессы [3].
Структурно-текстурные особенности разреза оцениваются по данным кавернометрии. Данные об изменении диаметра скважины в процессе бурения можно рассматривать как интегральную характеристику прочностных свойств пород.
Из анализа материалов кавернометрии следует, что при одинаковых условиях бурения наблюдается увеличение диаметра скважины:
а) с повышением содержания в породе органических примесей;
б) с увеличением содержания глинистого цемента;
в) с уменьшением содержания карбонатного цемента, эти же факторы отражаются и на диаграммах ГК уменьшением или увеличением интенсивности естественного g-излучения. При этих же условиях происходит изменение пределов прочности на одноосное сжатие σсж и одноосное растяжение σp. Так, для Эльгинского каменноугольного месторождения уравнения для определения σсж и σp мерзлых горных пород имеют вид:
(9)
(10)
где ∆H – разность между глубиной скважины и глубиной, на которой производятся измерения; ∆Ig – нормированное значение естественной радиоактивности в относительных единицах.
Из статистического анализа результатов изучения прочностных свойств пород ГИС-2на Эльгинском месторождении следует, что при отсутствии систематически значимых погрешностей относительные случайные средние квадратические погрешности ниже 20 %.
Разработанные выше методы позволили прогнозировать устойчивость углевмещающих пород по геолого-геофизическим данным. Использование физических параметров угленосных пород в качестве индикаторов их устойчивости обосновано следующими факторами. Повышение скорости распространения упругих волн и удельного электрического сопротивления пород обусловлено повышением содержания в них карбонатного цемента и уменьшением пористости, что одновременно служит и фактором повышения устойчивости этих пород. Повышение электрической проводимости, интенсивности естественного и рассеянного гамма-излучений пород связано с повышением пористости и содержания в них глинистого цемента, что одновременно является причиной ослабления их устойчивости.
Неустойчивые и легкообрушаемые породы кровли сопровождаются значительным увеличением диаметра скважин в процессе бурения. Устойчивые и труднообрушаемые породы кровли характеризуются устойчивостью стенок скважин и весьма малым изменением их фактического диаметра по сравнению с номинальным диаметром.
При разработке геолого-геофизического метода прогнозирования устойчивости горных пород на стадии разведки угольных месторождений в Южно-Якутском бассейне, из-за отсутствия опыта эксплуатации угольных месторождений подземным способом за основу была принята геолого-геофизическая классификация по устойчивости непосредственных и обрушаемости основных кровель, разработанная профессором В.В. Гречухиным [1]. Метод разрабатывался на материалах по пласту Д19 Локучакитского участка, где по достаточно густой сети выполнены акустические исследования, позволяющие с требуемой точностью охарактеризовать физико-механические свойства углевмещающих пород. Эти данные легли в основу построения прочностных карт по основной и непосредственной кровлям. Так как на площади Локучакитского участка отсутствуют породы, которые могли бы пучиться под целевым пластом, а также породы, которые могут непредсказуемо уплотняться, то почва пласта не рассматривалась.
Для участка разработана геолого-геофизическая типизация пород кровель [4], которая содержит данные о мощности слоев, о пределах прочности на сжатие, геофизические параметры пород: электрическое сопротивление, скорость распространения продольных волн. В качестве основных параметров при определении типов пород были приняты прочностные характеристики, поскольку значения скорости распространения упругих волн, приведенного диаметра, значение естественной радиоактивности горных пород автоматически учитывалась при определении физико-механических свойств пород. Для прогнозирования устойчивости и обрушаемости пород кровель угольного пласта Д19 Локучакитского участка построены литолого-прочностные разрезы, охватывающие интервалы десятикратной мощности угольного пласта. На основании литолого-прочностных разрезов производился прогноз устойчивости и обрушаемости пород кровли угольного пласта, построены карты прочности непосредственной и основной кровли и результирующая прогнозная карта устойчивости пород непосредственной и обрушаемости пород основной кровли.
Рецензенты:
Ткач С.М., д.т.н., директор, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск;
Имаев В.С., д.г-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории сейсмологии, Институт земной коры, Сибирское отделение Российской академии наук, г. Иркутск.
Работа поступила в редакцию 11.04.2013.