1
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ
МИНИСТРЛІГІ
ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
А.М. ҒАЗАЛИЕВ, Б.М. КЕНЖИН, Ю.М. СМИРНОВ
КӚМІР ҚАТТАРЫН ГЕОФИЗИКАЛЫҚ
ЗЕРТТЕУ
Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігінің Жоғарғы және
жоғарғы оқу орнынан кейінгі білім департаменті жоғарғы оқу орындарына
арналған оқулық ретінде ұсынады
Қарағанды 2012
2
ӘОЖ 550.83 (07)
КБЖ 33.31я7
Т13
Университеттің Редакциялық-баспа кеңесі ұсынған
Пікір жазғандар:
Техника ғылымдарының докторы, профессор, ҚарМТУ жоғары
математика кафедрасының меңгерушісі, редакциялық-баспа кеңесінің мүшесі
Тұтанов С.К.;
Ресей және Қазақстан техника ғылымдарының докторы, «Кӛмір» ВАСС
техникалық қамтамасыз ету бӛлімінің бастығы Плотников В.М.
Ғазалиев А.М.
Кӛмір қаттарын геофизикалық зерттеу: Оқу құралы / А.М. Ғазалиев,
Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов; Орысшадан аударған А.Р. Әбікенова,
Г.Ғ.Нұрсейітова; Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті. -
Қарағанды: ҚарМТУ баспасы, 2011. 253 б.
Басылым аударылған. Геофизические исследования угольных пластов
/А.М. Ғазалиев, Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов. – Караганда: Изд-во КарГТУ,
2010. – 253 с.
ISBN 9965-04-629-8
Кӛмір жынысты массивтер күйінің мониторингі кезінде шахталық геофизикалық
зерттеулер жүргізу әдістері қарастырылды. Кӛмірдің негізгі физика-химиялық қасиеттері,
оларды анықтау әдістері мен тәсілдері, кӛмір жынысты массивке дірілдік-сейсмикалық
әсер ету әдістерінің тиімді кӛрсеткіштерін бекіту келтірілді. Аналитикалық және
эксперименттік зерттеулер жүргізу, сонымен қатар массивтерде физика-химиялық
процестерді имитациялық модельдеу әдістері ұсынылды.
Оқулық 050707 «Тау-кен ісі», 050706 «Геология және пайдалы қазбалар кен орнын
барлау», 050711 «Геодезия және картография», 050724 «Технологиялық машиналар мен
жабдықтар», 050731 «Тіршілік әрекетінің қауіпсіздігі және қоршаған ортаны қорғау»
бакалавриат мамандықтарының оқу процестеріне арналған.
Геофизикалық ұйымдардың ғылыми және инженерлік-техникалық қызметкерлері
мен кӛмір ӛндіру қызметтеріне пайдалануға болады.
ӘОЖ 550.83 (07)
КБЖ 33.31я7
ISBN 9965-04-629-8
© А.М. Ғазалиев, Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов
© Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті,
2012
Т13
3
МАЗМҰНЫ
Кіріспе............................................................................................................
1 Кӛмір жынысты массивтің құрылысын анықтау әдістері мен
құралдарын талдау.................................................................................
1.1 Шахта геофизикасы проблемаларын шешудің қазіргі заманғы
жағдайы.....................................................................................................
1.2 Кӛмір жынысты массивтің бұзылғыштығын анықтаудың
сейсмикалық-акустикалық әдістерінің сипаттамасы.................................
1.3 Кӛмір қаттарында арналы толқындардың таралу процесін модельдеу
әдістерін талдау...........................................................................................
1.4. Кӛмір жынысты массивтің бұзылғыштығын бейімдеп жобалау әдісі
1.5 Кӛмір жынысты массивке әсер етудің бейімдеу әдісін іске асыру
әдістері мен тәсілдері ...................................................................................
2 Кӛмір жынысты массивтің физика-химиялық қасиеттері ........
2.1 Қатты жанғыш қазбалардың пайда болу кӛздері....... ............................
2.2 Кӛмірдің петрографиялық сипаттамасы ................................................
2.3 Кӛмір жіктемесі.........................................................................................
2.4 Кӛмірді химиялық зерттеу........................................................................
2.5 Кӛмірдің күйін басқару..............................................................................
3 Гидравликалық діріл құрылғыларының шығыс кӛрсеткіштері ...
3.1 Зерттеу әдістері мен аппараты.................................................................
3.2 Дірілдік-сейсмикалық кӛздердің динамикалық кӛрсеткіштері............
3.3 Дірілдік-сейсмикалық кӛздердің энергетикалық кӛрсеткіштері..........
4
Гидравликалық
дірілдік-сейсмикалық
модульдердің
тұрақтылығы ...............................................................................................
4.1 Бастапқы ережелер....................................................................................
4.2 Дірілдік-сейсмикалық модульдің техникалық тұрақтылығы...................
4.3 Тік бұрышты импульстың техникалық тұрақтылығы.............................
4.4 Синусоидалық импульстің техникалық тұрақтылығы..........................
4.5 Үш бұрышты импульстің техникалық тұрақтылығы.. .........................
5 Эксперименттер жүргізу техникасы ...................................................
5.1 Жалпы ережелер.........................................................................................
5.2 Гидравликалық діріл жүйелерін зерттеу нәтижелері ..........................
5.3 Дірілдік-баспақ жүйелерін зерттеу нәтижелері....................................
5.4 Гидравликалық діріл жүйелерін есептеу әдістемесі ............................
6 Импульс кӛзін және дірілдік-сейсмикалық модульді қолдану
арқылы сейсмоакустикалық зерттеу.......................................................
6.1 Кӛмір жынысты массивте толқын ӛрісі параметрлерін зерттеу............
6.2 Кӛмір қабаттарының бұзылу аймақтарын сейсмоакустикалық
анықтау критерийлері ..........……….........................................................
6.3 Шахталық сейсмоакустикалық ақпаратты ӛңдеу және интерпретация
әдістемесі....……………………………………………….............................
6.4 Кӛмір жынысты массивті шахталық сейсмоакустикалық зерттеу
әдістемесі және техникасы ..........................................................................
5
7
7
10
15
20
27
41
41
44
46
50
52
58
63
100
105
105
106
107
119
126
133
133
152
163
166
169
169
175
180
185
4
6.5 Тәжірибелік-технологиялық жұмыстар нәтижелерін жалпылау
әдістері ........................................................................................................
7 Дірілдік-сейсмикалық модульдердің массивпен ӛзара әрекеттесу
параметрлерін бекіту бойынша компьютерлік эксперимент..............
7.1 Эксперименттер жүргізу талаптары және әдістемесі ...........................
7.2 Қарағанды кӛмір бассейнінің кӛмір жынысты массивінің геология-
геофизикалық модельдері ..............................................................................
7.3 Кӛмір жынысты массивтің бұзылуын анықтайтын толқын ӛрісінің
параметрлері................................................................................................
7.4 «Модуль-массив-бұзылу» (ММБ) имитациялық моделі.....................
7.5 Массивте физикалық процестерді имитациялық модельдеудің кейбір
нәтижелері ...................................................................................................
Қорытынды ......................................................................................................
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі .................................................................
187
196
196
198
207
228
229
240
241
5
Кіріспе
Оқулық 050707 «Тау-кен ісі», 050706 «Геология және пайдалы қазбалар
кен орнын барлау», 050711 «Геодезия және картография», 050724
«Технологиялық машиналар мен жабдықтар», 050731 «Тіршілік әрекетінің
қауіпсіздігі және қоршаған ортаны қорғау» мамандықтарының техникасы мен
технологиясы бакалаврларының оқу процестеріне арналған.
Оқулықтың пайда болу қажеттігі тӛмендегілермен шектелетін кӛмір ӛндіру
жұмыстарын жүргізудің жаңа заманғы ерекшеліктеріне байланысты.
Әлемдік масштабта пайдалы қазбаларды ӛндіруге техногендік апаттардың
потенциалды себептері болып табылатын екі фактор тән. Бірінші фактор
ӛндірілетін пайдалы қазбалардың түзілу тереңдігін ұлғайтумен шектеледі.
Екінші фактор кенші-шахтерлердің еңбек ӛнімділігін арттыруға, яғни кен
орындарын қазуды қарқындатуға арналған нарық талаптары болып табылады.
Ӛндірудің осындай шарттары техногендік процестердің пайда болу қаупін
арттырады. Жеке алғанда, кӛмір ӛндіру ӛнеркәсібінде бұл - газ-динамикалық
құбылыстар (кӛмірді, тау жыныстары мен газдың кенеттен лықсып шығуы).
Осындай құбылыстар адам ресурстарының айтарлықтай шығынына,
технологиялық ӛндіру процестерінің тоқтауына және кідірісіне, тау-кен
қазбаларын, машиналарды, механизмдер мен агрегаттарды қалпына келтіруге
алып келеді.
Екінші жағынан, кӛмір кен орындарын қаттардың түзілу жағдайын,
олардың кен жұмыстарын жүргізу кезінде тектоникалық бұзылғандығын және
тау-кен (кӛмір) массивінің күй мониторингін алдын ала мұқият болжамастан
дайындау жаңа техника мен жаңа технологиялық процестердің экономикалық
тиімділігін айтарлықтай тӛмендетеді.
Осыған байланысты бүгінгі таңда кӛмір ӛндіру ӛнеркәсібіне тау-кен
геофизика саласында кӛмір жынысты массивтердің күй мониторингінің және
жалғаспалы газ-динамикалық құбылыстарды болжаудың тиімділігі жоғары
әдістерін жасауға және меңгеруге мамандар талап етіледі.
Кӛмір қаттарының бұзылуын анықтау, кӛмір массиві күйінің мониторингі
және газ-динамикалық құбылыстарды болжаудың анағұрлым тиімді әдісі тау-
кен массивінде серпімді тербелістерді қоздыруға және қабылдауға негізделген
сейсмоакустикалық әдіс болып табылады. Серпімді тербелістердің қозуы
массивті шығу кӛзі параметрлерінің үйлесімін болжайды. Бұл сәйкес
техникалық және технологиялық қатарласу кезінде сейсмоакустикалық
зерттеулердің тиімділігін айтарлықтай арттыруға және осыған сәйкес
тиімділігін және ӛндіру жұмыстарының қауіпсіздік деңгейін арттыруға
мүмкіндік береді.
Осы әдісті практикалық жүзеге асыру кӛмір қатына шығыс кӛрсеткіштерді
– күш, орын ауыстыру, жиілік, ұңғымалық амплитудасын және импульс түрін
тәуелсіз және баяу реттеу арқылы сейсмикалық жүктер беруге және
генерациялауға қабілетті машиналар мен механизмдер жасау кезінде мүмкін
болады.
6
Авторлар қозғалған мәселелерді толық түсіндіруді мүлдем кӛздемейді,
олардың кейбіреулері қосымша талқылауды талап етеді, кейбір қорытындылар
мен ұсыныстар талас тудыратын болуы мүмкін. Осыған орай мамандарда,
алғыспен қабылданатын ескертулер, толықтырулар мен ұсыныстар күмәнсіз
пайда болады.
Оқулықты жазу кезінде химия ғылымдарының докторы М.К. Ибраевтың
(тарау), техника ғылымдарының кандидаты С.С. Саттаровтың (тарау), тау-кен
инженер-геофизигі
Р.К.
Мұстафиннің
(тарау)
зерттеу
нәтижелері
пайдаланылды.
7
1 Кӛмір жынысты массивтің құрылысын анықтау әдістері мен
құралдарын талдау
Геофизиктер Жер қойнауында не бар екендігін кӛруді әрдайым
армандайды. Әлемдегі ең терең ұңғыма Кольск аралында тау жыныстарының
қатпарында 12262 м. орналасқан. Геофизиктердің осы армандары пайдалы
қазбаларды қазудың басталуымен одар әрі дамыды. Демек орларды,
шұңқырларды, шурфтарды және басқа қарапайым қазбаларды қазумен бірге
дамыды. Алайда жердің барлығын қазып шығу мүмкін емес, адамзат пайдалы
қазбалар жатысын тауып алудың жаңа әдістері туралы қарастырды.
Осылай геофизика ғылымы (немесе Жер физикасы) – Жердің физикалық
қасиеттері және жер бетінде болып жатқан процестер туралы ғылым кешені
(ХVII-XVIII ғасырда) пайда болды [1, 2].
Тау-кен ӛндіруші кешенінің дамуына байланысты геофизиканың кӛптеген
бӛлімдерінен тау-кен геофизикасы ерекше кӛрінеді. Бұл тарау елеулі тереңдікте
жатқан пайдалы қазбалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін, сонымен
қатар кӛмір қаттарында әртүрлі кірінділер мен бұзушылықтардың болуын және
олардың қасиеттерін зерттейді. Бұл зерделеу еңбек сыйымдылығының дәрежесі
мен қолдану жағдайымен ерекшеленетін барлық мүмкін әдістердің елеулі
мӛлшеріне негізделеді. Әдістердің әрқайсысының жағымды жақтарын белгілеу
үшін және неғұрлым тиімді әдісті жасау үшін ұсыныстар әзірлеу үшін
объективті талдауды жүргізу қажет.
1.1 Шахта геофизикасы проблемаларын шешудің қазіргі заманғы
жағдайы
Геологиялық міндеттерді шешу үшін физикалық құбылыстарды зерттеу
материалдарын
пайдаланудың
принципті
мүмкіндігі
зерттеушілерді
қызықтырған ӛзінің физикалық қасиеттері бойынша геологиялық түзілімдер
жер қыртысы тау жынысының жалпы кешенінен ерекшеленуімен анықталады,
сондықтан байқалатын физикалық құбылыстардың кейбір ерекшеліктерінің
себебі болуы мүмкін. Құбылыстардың табиғатына байланысты геофизикалық
барлаудың бірнеше әдістерін ажыратады: гравитациялық барлау, магниттік
барлау, электрлік барлау, сейсмикалық барлау және т.б.[3].
Қазіргі кездегі белгілі геофизикалық зерттеу әдістері:
Гравитациялық барлау – Жер бетінде ауырлық күшін таратуды зерттеуге
негізделген жер қыртысының құрылысын зерттеу әдісі [4].
Магниттік барлау – Жер бетінде магнитті ӛрістерді таратуды зерттеу
арқылы геологиялық міндеттерді шешудің әдісі [3].
Электрлік барлау – Жер бетінде бар табиғи немесе жасанды түрде
жасалған физикалық-химиялық процестер күшімен электрлік ток ӛрісін зерттеу
арқылы жер қыртысын зерделеу әдісі. Ток сипатына және оны зерттеу әдісіне
байланысты электрлі барлаудың кӛптеген түрлендіргіштерін ажыратады [3].
Сейсмикалық барлау – жер бетіне серпімді тербелістердің таралу сипаты
бойынша жер қыртысының құрылысын зерттеу әдісі [5]. Серпімді
8
тербелістердің кӛзі әдетте жарылыстар болып табылады, жарылыстар үшін 30
м-ге дейінгі терең емес бұрғылау ұңғымалары пайдаланылады. Соңғы кезде
сейсмикалық барлау практикасына ауада жаруды қолдану енгізілді. Жер бетіне
тарала отырып, үстіңгі бетте серпімділіктің әртүрлі жазықтықтары мен
коэффициенттері бар қыртыс қабатына кездесіп, серпімді тербелістер сынады
және геометриялық оптика заңымен теңдесетін заңдар бойынша бейнеленеді [1,
2].
Сейсмикалық барлаудың бірнеше тәсілдерін ажыратады. Алғашқы іске
кірісу әдісі деп аталған сынған толқын тәсілі осылай тарихи тұрғыда бірінші
рет пайда болды. Осы түрлендіруде жарылыс болған жерден әртүрлі ара
қашықтықта орнатылған сейсмографтарға серпімді тербелістердің келу моменті
белгіленеді. Осы ара қашықтықта серпімді тербелістерге жұмсалатын уақыт
олардың бақылау жүргізілетін жер қыртысындағы әртүрлі қабаттарға таралу
жылдамдығымен анықталады.
Сейсмикалық барлаудың екінші нұсқасы – хронологиялық жағынан кейін
пайда болған неғұрлым қарапайым шағылысқан толқындар әдісі [5]. Осы әдіс
бойынша жұмыстар бӛлінген шекарадан шағылысуға ұшырайтын сейсмикалық
сәулелерді бақылаудан тұрады. Бақылау әдетте жарылыс болған жерден
салыстырмалы шағын ара қашықтықта сейсмографта жүргізіледі. Осы аймақта
шағылысқан сейсмикалық сәуле жер бетіне қатынасы бойынша шығады,
сондықтан бірқатар сейсмографтарда шағылысқан тербелістердің келуі бір
уақытта белгіленеді. Осы белгі бойынша сейсмограммада шағылысқан
толқындарды ажыратады. Жарылыс сәті және жарылыс болған жерден
белгілі
бір
ара қашықтықта орнатылған сейсмографтарға шағылысқан толқындардың
келу сәті арасындағы уақыт аралығын, шағылысқан беттің үстінде жатқан тау
жыныстарының қалыңдығына серпімді тербелістердің таралу жылдамдығын
біле отырып, толқындар ӛткен жолды есептеуге болады.
Қазіргі кезде барлық белгіленген әдістер басқа кен орындарын іздеу мен
бағалау үшін, сондай-ақ газ-динамикалық құбылыстардың алдын алу үшін
пайдаланылады (ГДҚ) [6, 7, 8]. Пайдалы қазбалар немесе тау жыныстары
қаттарында болатын бұл құбылыстар техногенді апаттарға және катастрофаға
әкеледі [9, 10, 11].
Пайдалы қазбаларды қазу тереңдігін ұлғайту суфляр типтес газ
құбылыстарының, кӛмір және газдың кенеттен лақтырындылары типтес газ-
динамикалық құбылыстардың пайда болуына әкеледі. [9, 12, 13].
Қазылатын қаттың қуатын ұлғайтумен қатар ГДҚ қарқындылығы да
ұлғаяды. Демек, Қарағанды свитасының К
10
қаты бойынша олардың орташа
қарқындылығы 3,5-ден 4,5 м-ге дейінгі қат қуаты кезінде 27 т қуатты, ал К
12
қаты бойынша - 5,2-ден 8,3 м-ге дейінгі қат қуаты кезінде 82 т құрайды .
Барлық ГДҚ мынадай түрлерге бӛлуге болады:
– забой тӛсінің күрт жаншылуы;
– тӛбенің күрт түсуі (опырылуы);
– кӛмір мен газдың күрт лақтырындылары;
– қазба топырағының күрт (динамикалық)жарылымдары.
9
Кӛп жағдайда ГДҚ орташа және ұсақ тектоникалық бұзылу аймағында
оларды аршу және даярлау қазбасының қиылысуы кезінде болады. Кӛп жағдай
забойдың жылжуымен және комбайнның жұмыс органының немесе кӛмір
қатындағы жұмыс құрал-сайманының әсерімен байланысты. Қатқа күшті
динамикалық әсер ететін жарылыс жұмыстары және кӛмір массивінің ырғақты
шайқалуын тудыратын уатқыш балғаның жұмысы забойдағы барынша қауіпті
операциялар болып табылады.
Кӛмір қаты бұзылу аймағында әдетте бірнеше будалардан құралған,
сондықтан кӛмір кӛп жағдайда сол будалардан лақтырылады. Кӛмір қатындағы
газдың ең тӛменгі қысымы кезінде Қарағанды бассейні шахталарында газ-
динамикалық құбылыстар болды, ҚазТБМҒЗИИ деректері бойынша 1 МПа
құрайды. Жарылуы қауіпті қаттардың табиғи газдылығы 11-18 м
3
/т құрайды, ал
340-350 м тереңдіктегі газ қысымы 2,5-3,5 МПа-ға жетеді [14, 15] .
Жарылыс қауіптілігін жобалаудың сейсмика-акустикалық әдісі кӛмір қаты
мен сыйыстырушы тау жыныстарының шулы ӛзгерістерін бақылауға
негізделген. Қатта уақыт бірлігінде тіркелген акустикалық эмиссия (АЭ)
импульсі шу ретінде қабылданады. Кӛмір мен газдың күрт лақтырындылары
шуы тӛмен кӛршілес аймақтармен салыстырғанда шуы басым қат аймағында
болатыны белгілі [12, 16, 17, 18].
Шағылысқан толқынды тіркеу үшін және ақпаратты әрі қарай ӛңдеу үшін
әртүрлі қолдану аймағына қатысты ӛлшеу-тіркеу кешені әзірленген.
РҒА ТКИ СБ Норильск ГМК кеніштерінде зерттеу үшін дайындалған және
ӛнеркәсіпте сериялы түрде шығарылатын, жартылай түрлендірілген жеке
блоктардан тұратын «Микросейсмика – 8» сейсмика-акустикалық 8-арналы
аппаратурасы әзірленді. Жиілікті диапазон 1-ден 70 кГц-ге дейін.
Германияда бақылаудың сейсмика-акустикалық әдістері бойынша зерттеу
үшін
«Пракла-Сейсмос»
фирмасының
MDGB
сейсмикалық
жүйесі
пайдаланылады. Жүйенің әзірлеу негізіне «Серсель» (Франция) фирмасының
SN-338 HR далалық сейсмикалық барлау станциясы алынған. «Серсель»
фирмасы арнайы осы мақсат үшін 500 Гц дейінгі жиілікте тіркеу мүмкіндігін
кеңейтті. SN-338 HR сейсмикалық барлау станциясынан MDGB жүйесіне екі
аналогтық модуль енді (1 және 2 күшейткіш), бақылау модулі (логикалық блок)
және цифрлық магнитофон. «Пракла-Сейсмос» фирмасы қалған блоктар: кіру
блогын, ультра-күлгін осциллографын, қорғаныш газын басқару блогын
әзірлеген [19].
Бұзушылықтарды тауып алу және бұзушылық мониторингісі, осылайша
газ-динамикалық құбылыстардың алдын алу әдістері мен құралдарының әр
түрлігінен қолданыстағы әдістерге кешенді талдау жасау және жаңа әдістерді
әзірлеу бойынша ұсыныстар әзірлеу қажет.
1.2 Кӛмір жынысты массивтің бұзушылығын анықтаудың сейсмика-
акустикалық әдістерінің сипаттамасы
Бұзушылықтың болуы туралы геологиялық ақпарат кӛзі бұрғылау
ұңғымаларының және барлау кен қазбаларының керні
болып табылады
10
(штольня, штрек). Сондықтан кен қазбаларының кӛлемі (зерттеу бойынша)
бұрғылау ұңғымаларының және тау-кен қазбаларының мӛлшері мен
тығыздығына (барлау бойынша) байланысты. Кӛмір қаттары шегінде біркелкі
емес орналасудың геологиялық бұзушылықтары олардың шағын аршылуын
анықтайды, барлау ұңғымалары орналасуының біркелкі торларын қолдана
отырып, алдын-ала және жан-жақты барлау кезінде аршылады [20].
Қарағанды шахталарын, сондай-ақ Донецк және Кузнецк бассейндерін
пайдалану тәжірибесі шахта алабын жан-жақты барлау процесінде
тектоникалық құрылымның негізгі ерекшеліктері – ірі қатпарлар және 10 м
артық қаттың үзілуі ғана анықталатынын кӛрсетті [21, 22].
Барлау ұңғымалары [23] тығыздығының кез келген қоюлануы кезінде 10 м-
ден кем емес ығысу амплитудасы бар барлық тектоникалық бұзушылықтарды
анықтауға кепілдік берілмейді. Есептеулер Р = 0,82 ықтималдығы бар орташа
және ірі бұзушылықтарды дәйекті аршу 125x125 м барлау торында және
экономикалық тұрғыдан тиімсіз болып саналатын неғұрлым тығыз барлау торы
кезінде қамтамасыз етілетінін кӛрсетеді.
Жоғарыда баяндалғандар геологиялық барлаудың қазіргі заманғы әдістері
шахта алабының тектоникалық бұзушылықтарын толықтай анықтай алмайды.
Сондықтан соңғы жылдары осы міндеттерді шешу үшін тау-кен жыныстары
мен массивін зерттеудің физикалық әдістері кеңінен қолданыла басталды.
Массивті зерттеу үшін пайдаланылатын физика алабының типі бойынша
электрлік, радио толқынды, ультра-дыбыстық және сейсмикалық акустикалық
әдістер пайдаланылады [24, 25].
Зерттеудің ультра-дыбыстық және акустикалық әдістері массивте және
үлгілерде тау-кен жыныстарының әртүрлі қасиеттерін анықтауға мүмкіндік
береді [26]. Қазіргі кезде ӛндіріс жағдайында ультра дыбыс [27], ультра-
дыбыстық, акустикалық және ұңғымалар арасындағы дыбыстың естілу
кӛмегімен тау жыныстарының беріктік қасиеттерінің кӛрсеткіштерін анықтау
әдістемесі әзірленіп, табысты қолданылып жатыр [24, 28, 29].
Ультра-дыбыстық әдістер тау-кен ӛндірісінің міндеттерін шешу үшін
қолданылады: жер асты қазбаларын үңгілеу кезінде массивтің қарқынды
жарықшақты аймақтарын анықтау, тӛбе мен кентіректердің бұзылуын анықтау,
тау-кен жұмыстарын жүргізу кезінде массивтің орнықтылығы мен шиеленіскен
жағдайын зерттеу.
Тау-кен жыныстары мен массивін зерттеудің ультра-дыбыстық әдісінің
негізгі кемшілігі нақты ортада жоғары жиілікті серпімді тербелістерді күшті
ӛшірумен байланысты шағын ӛлшеулер базасы болып табылады.
Сейсмикалық зерттеулер болатты тазарту жұмысын оңтайлы жүргізу
міндеттеріне қатысты кӛмір қаттарының бұзылуын жобалау мақсаты бойынша
1960 жылдардан бері жүргізіліп келеді [30].
Сейсмикалық-барлау жұмыстары кенорындарын іздеу, барлау және
барлауға дейінгі сатыларында қолданылады [5, 31]. Іздеу сатысында
сейсмикалық барлау жұмысының негізгі міндеттері ірі геологиялық
құрылымдарды табу, ал барлау сатысында – ауданы мен тереңдігі бойынша
11
жекелеген тектоникалық бұзушылықтарды анықтау мен
трассаны белгілеу
болып табылады.
Алайда жер бетіндегі сейсмикалық зерттеулердің дәстүрлі тәсілдері мен
әдістерінің кӛмегімен 2-3 м кем емес ығысу амплитудасының тектоникалық
бұзушылықтарын анықтау мүмкін емес, ӛйткені пайдаланылатын сейсмикалық
толқындардың ұзындығы осы амплитудадан асып түседі [1, 32, 33]. Осыған
байланысты шағын амплитудалы тектоникалық бұзушылықтарды тиімді
зерттеуге байланысты дала жұмыстарының жаңа тәсілдері, үзіліп бұзылудың
жаңа сейсмологиялық моделі негізінде деректерді ӛңдеу мен түсіндіру тәсілдері
әзірленген.
Осы модельге сәйкес үзіліп бұзушылықты оларды тау жыныстарынан
сыйыстыратын ӛздерінің физикалық параметрлері бойынша ерекшеленетін
қатта немесе қабат дестелерінде субвертикалды геологиялық денемен
анықтауға болады. Осындай модель теориялық және экспериментті деректер
бойынша толқын ӛрісінде бірқатар белгілер бойынша бейнеленеді: синфаза
осьтерін
ығыстырумен,
амплитуда
мен
жиіліктің
ӛзгерісімен,
интерференциялық жазу сипатымен және т.б. [30, 31, 32]. Осы белгілер
негізінде үзіліп бұзылудың типі мен амплитудасын анықтай отырып
сейсмикалық уақытша тілік бойынша тектоникалық бұзушылықтарды анықтау
келтіріледі.
Геологиялық барлау сатысында геофизикалық әдістерді қолдану кӛмір
қаттарының шағын амплитудалы тектоникалық бұзушылықтарын анықтау
тиімділігін арттырады. Демек, деректер бойынша [22], Қарағанды бассейнінің
батыс кӛмірлі ауданында барлау сатысында геологиялық-геофизикалық
жұмыстардың кӛлемі ұлғаю есебінен Орталық Қарағанды ауданына қарағанда
бұзушылықтар 3,4 есе жоғары екені анықталған (1.1-кесте).
1.1-кесте – Шахта алабын игерудің сатысы бойынша анықталған
бұзушылықтарды бӛлу (Р.Ш. Ходжаевтың деректері бойынша)
Кӛмірлі
аудандар
Үзіліп бұзушылықтарды бӛлу, %
Барлығы
мерзімде анықталғандар қатарында
геологиялық
барлау
шахта
құрылысы
шахтаны
пайдалану
Қарағанды
100
5,0
3,4
91,6
Батыс
100
17,1
10,6
72,3
орташа алғанда
бассейнде
100
10,2
6,5
83,3
Кестеден кӛрініп тұрғандай бұзушылықтардың негізгі мӛлшері, негізінен,
ірі және орташа бұзушылықтар шахтаны пайдалану сатысында анықталады.
Барлауды іздеу сатысында шағын амплитудалы бұзушылықтар мүлдем
12
анықталмайды, ал шахтаны пайдалану кезінде тек жұқа және орташа кӛмір
қаттары анықталады.
Осылайша, кӛмір кен орындарын іздеу мен барлау сатысында
қолданылатын зерттеудің қазіргі заманғы геологиялық-геофизикалық әдістері
(каротаж, электрлі барлау, ұңғымалар арасындағы жарық түсіру және т.б.)
пайдалану кезеңі үшін қажетті кӛмір қаттарының тектоникалық құрылысын
жан-жақты зерттеуге қол жеткізуге мүмкіндік бермейді [33, 34]. Сондықтан
кӛмір кен орындарын іздеу мен барлау сатысында кӛмір қаттарының
бұзушылығын жобалау үшін жер бетіндегі сейсмикалық барлау жұмыстарын,
ал пайдалану сатысында – зерттеудің шахталық сейсмикалық акустикалық
әдістерін қолдану қажет [35]. Зерттеудің шахталық сейсмикалық акустикалық
әдістерін дамытуға Krey T., Kneuper G., Brentrup F.K., Arnetzl H. шетел
зерттеушілері үлкен үлес қосты [30, 31, 32, 36, 37, 38].
Кеңестік кезеңде осы саладағы зерттеулерде М.С. Анциферов, Н.Я. Азаров,
А.B. Анциферов, В.А. Анциферов, Е.С. Ватолин, Ю.А. Векслер, П.Г.
Гильберштейн, И.И. Гурвич, Б.И. Данилов, Ю.С. Исаев, В.Е. Крупин, А.И.
Компанец, Ю.Г. Мясников, А.Д. Рубан, М.Ж. Сатов, С.С. Саттаров, М.Г.
Тиркель, А.Т. Шакиров, А.Б. Черняков, Д.В. Яковлев, В.С. Ямщиков және т.б.
жұмыстары арналған [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54,
55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66].
Сейсмикалық акустикалық жұмыстар кӛмір қаттарының бұзушылығын
жобалау мақсатында алғашқы рет болатты тазарту жұмыстарын оңтайлы
жүргізу міндеттері бойынша Т. Крей Саарск бассейн шахталарында (ФРГ),
Крупин В.Е. Кузбасс шахталарында жүргізе бастады. Бұл әдістерді Мәскеу
түбіндегі кӛмір бассейнінде Ю.Г. Мясников, Ю.С. Исаев, Н.Я. Азаров және т.б.
қолдана бастады [33, 51, 67, 68, 70, 71, 72, 73, 74, 75]. Осы жұмыстарда
геологиялық бұзушылықтарды анықтауға арналған әдістерді қолдану
мүмкіндігі негізделген. Негізгі ақпараттық параметр ретінде бүйірлік, тура
және арналы толқын жылдамдықтары пайдаланылады.
Т. Крей I960 жылы кӛмір қаттарында геологиялық бұзушылықтарды
анықтау үшін сейсмикалық арналы толқындарды қолдануды ұсынды [31].
Мұндай толқындар қатта қалыпты амплитудада болады, онда тау
жыныстарындағы амплитуда қаттан ара қашықтықтың ұлғаюына байланысты
нольге жақындайды. Бұл ӛшу толқынның ұзындығына байланысты болады,
яғни іргетасты симметриялы гармоника деп аталатын жиілікке қатысты. Ляв
және Релей – екі типті толқын ӛткізгіште пайда болатын толқындар. Бірінші
жағдайда тау жыныстары мен кӛмірдің бӛлшектері қатқа параллель және
сәулелердің бағытына перпендикуляр түрде қозғалады, яғни қозғалыс қат пен
сәулеге перпендикуляр толқын шептерінің ішінде ӛтеді. Екінші жағдайда тау
жыныстары мен кӛмірдің бӛлшектері қат пен толқындар шебіне перпендикуляр
жазықтықта қозғалады. Релей типті толқындар тау жыныстары қыртысын
ығыстырушы толқынды жылдамдық кӛмірде дилатациялық
жылдамдықтан
асқан кезде болуы мүмкін.
Т. Крей қаттың сейсмикалық толқындары шағылысқан және ӛтпелі
толқындар ретінде пайдаланылуы мүмкін екенін анықтады. Шағылысқан
13
толқын және ӛтпелі толқын үшін барлық қорытындылар [30] белгіленгендей
кӛмір қаттары үшін қуаты 2,0 м-ден 3,5 м-ге дейін, яғни орташа қуатпен
алынған.
«Prakla-Seismos» фирмасы шахтада сейсмикалық-акустикалық зерттеулер
үшін жарылуы қауіпсіз нұсқа бойынша тиісті аппаратура дайындады.
Бастапқыда 20-дан 300 Гц-ке дейінгі диапазонда жиілікті қабылдайтын
GSV аналогтық сейсмикалық станциясы құрылды. Сосын 500 Гц-ке дейінгі
жиілікті диапазоны бар МДН және МДGВ цифрлық станциялары құрылды [19,
76, 77].
1972 жылдан бастап Кеңес Одағында Кузбаста В.Е. Крупиннің жұмыстары
бойынша сейсмика-акустикалық әдісін қолдана бастады [55]. Шахталық
зерттеулердің үлкен кӛлемі, толқын ӛткізгіштер моделінде теориялық және
экспериментті жұмыстарды зерттеу, 20-30 м жоғары ара қашықтықта кӛмір
қатында серпімді импульс жасау кезінде екі толқын: арналы және квазирелей
кӛрсетілетінін белгілеуге мүмкіндік береді. Кӛрсетілген толқынның ерекше
белгілері таралу жылдамдығындағы айырмашылыққа, жазу түрлерінде, сондай-
ақ тектоникалық бұзушылықтары және біртекті еместіктері бар учаскеде
параметрлерді ӛзгерту сипаты болып табылады. Бұзушылықтан шағылысқан
толқындар негізгі экстремум және одан неғұрлым жоғары жиіліктерге ие [78].
Қарағанды бассейнінде әрі қарай зерттеулер 60-тан 1000 Гц-ке дейінгі
жиілікті диапазоны бар "Тектоника-1" неғұрлым жетілдірілген аппаратураны
қолданумен жалғаса берді. 1983 жылдан бастап МDGВ (Prakla Seismos
фирмасы) цифрлық сейсмикалық станциясы пайдаланыла бастады [19, 76].
Н.Я. Азаров жер асты сейсмикалық акустикалық зерттеулерді дамытуда
үлкен үлес қосты [36, 37, 39, 40, 67, 68, 73]. Зерттеу материалдарын және әдеби
деректерін талдау негізінде H, ρ, V
p
, V
s
ӛзгерісінің мүмкін диапазонын кӛрсете
отырып ортаның сейсмикалық-геологиялық моделі алынды (мұнда H – қат
қуаты, ρ – тығыздығы, V
p
және V
s
– бойлық және кӛлденең толқындардың
жылдамдығы). Ішкі толқын ӛткізгіш бірнеше күрт шекараларды қамтиды,
себебі кӛмір қаты «микро толқын ӛткізгіш» ретінде кӛрсетіледі, ӛйткені V
py
<
V
pп
, V
sy
< V
sп
(мұнда V
py
және V
sy
– кӛмірдегі, V
pп
және V
sп
– тау
жынысындағы бойлық және кӛлденең толқындардың жылдамдығы), онда
интерференциялық толқындар пайда болады және таралады. Жер асты
жұмыстары кезінде байқалатын толқынның суреті зерттелген, арналы
толқынның ерекшеліктері қарастырылған, бұзушылықты жобалау үшін
олардың динамикалық және кинематикалық параметрлерін пайдаланудың
әдістемелік негізі әзірленген.
Ю.С. Исаевтың жұмысында [33] майдалаушы ортада толқынның ӛшуін
экспериментті зерделеу әдістемесі ұсынылады. Амплитудалы және спектрлі
әдістердің кӛмегімен жиіліктің ӛшу коэффициентіне тәуелділігі анықталды,
кейбір тұрақты жылдамдық кезінде, мәні бойынша, жиілігі бар жүйенің
сенімділігінде ӛзгеріс бар. Сосын алынған тәуелділік β(f) функциясын 2nf/V(f)
функциясын сандық кӛбейту арқылы фазалық жылдамдықтың дисперсиясы
үшін түзетеді. Нәтижесінде d(f) жиіліктен интерференциялық, қалыпты
майдалаушы толқынды ӛшіру функциясы алынады. V(f) сейсмикалық-
14
геологиялық модель бойынша есептеледі немесе экспериментті түрде
белгіленеді.
Шахталық сейсмикалық-акустикалық әдісті дамытуға Украина ҰҒА
УкрНИМИ (Донецк қ.) Анциферов А.В., Компанц А.Н., Трифонов А.С, Мятлов
Л. С., Тиркель М.Г. қызметкерлерінің жұмыстары мен зерттеулері үлкен үлес
қосты [59, 60, 61, 70, 71, 72].
Шахталық сейсмикалық-акустикалық әдісті дамытуға ТКИ
зерттеушілері
А.А. Скочинский, Е.С.Ватолин, А.Б.Черняков, А.Д.Рубанның жұмыстары үлкен
үлес қосты [46, 47, 56, 62].
Авторлар
тектоникалық
бұзушылықтың
сейсмикалық-геологиялық
моделін пайдалана отырып сейсмикалық жарық түсіру әдісімен (СЖӘ)
интерференциялық
толқында
шахталық
сейсмикалық-барлаудың
кері
міндеттерін шешті. Кері міндеттерді аналитикалық шешу үзіліп бұзылудың
негізгі параметрлерін – тоғысу сызығының ұзындығын, дизъюнктив
амплитудасын және әсер ету аймағының енін анықтауға мүмкіндік береді [76].
C.С. Саттаровтың [57, 79] жұмысында арналы толқындардың толқын
ӛрісін голографиялық қалпына келтіру мүмкіндігі дәлелденген, бір немесе
бірнеше кӛздерден кескіндер алынған, сол кӛздердің кӛмегімен неғұрлым
жоғары сенімділігі бар геологиялық бұзушылықтар анықталады.
Біртекті емес ортада кӛлемді толқындардың таралуы кезінде шағылысқан,
сынған
және
дифракцияланған
кӛлемді
толқындармен
қатар
интерференциялық, беттік, арналы немесе қалыпты толқындар деп аталатын
белгілі толқын тобы пайда болуы мүмкін [78, 80, 81]. Зерттеулер кӛрсеткендей,
толқынның бұл тобы серпімді ортада толқынның жаңа типі болып табылмайды,
бойлық Р және кӛлденең S толқындардың суперпозиция нәтижесін білдіреді,
сондықтан олар «интерференциялық толқындар» деген атаумен бірігеді.
Интерференциялық толқындардың басты ерекшелігі мынада, ортаның
бӛлінген шекарасына жақын немесе жылдамдығы тӛмен аймақта (қабатта)
оқшауланып, таралады, олар үшін толқын ӛткізгіш болып табылады, ӛйткені
осы толқындар амплитудасының аймағынан және осындай шекарадан жою
шамасы бойынша пропорционалды жиілікте кӛрсеткіштері бар экспонентті
заңы бойынша азаяды. Үстіңгі беттік толқын жолында таралатын
интерференциялық толқындар беттік, ал ішкі толқын жолымен таралатын
толқын – арналы толқын деп аталады. Интерференциялық толқындарды
полярлаудың екі типін – кӛлденең SH интерференциясының нәтижесін
білдіретін Ляв (L) толқыны және бойлық Р және кӛлденең SV-толқындардың
суперпозиция нәтижесінде түзілетін Релей (R)толқыны деп ажыратады.
Интерференциялық толқындар теориясын әзірлеуге В.И.Кейлис-Борок
[81], Л.М.Бреховский [80], А.Л.Лѐвшиннің [82, 83, 84] зерттеулері үлкен үлес
қосты. Шетелдік жұмыстар арасында Томпсон әзірлеген және Хаскелл
дамытқан
интерференциялық
толқындардың
қарқындылығы
мен
дисперсиясының есептеудің матрицалық әдісін атап ӛту керек [85]. Томпсон-
Хаскелл әдісі деп аталатын бұл әдіс қабатты ортада серпімді толқындарды
зерттеу кезінде кеңінен қолданыс тапты.
15
Интерференциялық толқындардың және күрт шекарасы бар ішкі толқын
жолын білдіретін кӛмір қаттары үшін толқынды ӛрісінің негізгі заңдылықтары
әділ болып саналады. Бұл тек орташа қуаты 2,0м-ден 3,5 м-ге дейінгі кӛмір
қаттары үшін ғана әділ болып саналады, ал қуаты неғұрлым жоғары қаттар
үшін жоғары реттегі модаммен байланысты проблемалар туындайды, ол
проблемалар туралы әрі қарай айтылады.
Кӛмір қаттарында серпімді толқындардың таралу теориясын дамытуға
кеңестік зерттеушілер Н.Я. Азаров, В.С. Ямщиков, П.Г. Гильберштейн, И.И.
Гурвич, И.И. Крупин және басқа шетелдік зерттеушілер Brentup F.K., Freystatter
S., Drezen L., Buchanan D. еңбектері үлкен үлес қосты [36, 37, 86, 87].
Достарыңызбен бөлісу: |