ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Номер

30-004-06

Наименование проекта

Метод цифровой фильтрации для прогноза устойчивости кровли угольных пластов

Назначение

Для повышения точности прогнозов геологических условий.

Рекомендуемая область применения

Шахты для добычи угля.

Описание

Описание к ИЛ № 30-004-06

Результат выполнения научно-исследовательской  работы.

В работе предлагается метод цифровой фильтрации и восстановления полей природных факторов для повышения точности прогнозов геологических условий.

Под действием тектонических процессов массив горных пород деформируется. Нарушения в залегании осадочных пород, происшедшие в результате пластической деформации горных пород, при которых образуются волнообразные изгибы без разрыва сплошности, являются пликативными дислокациями. Кроме этого, деформации выражаются в образовании трещиноватости и разрывных форм нарушений.

Таким образом, осадочные отложения приобретают волнистую форму с разрывами и трещиноватостью. Между этими формами дислокаций существует тесная связь, и проявляются взаимные переходы. Эти формы определяются сочетанием системы внешних сил, длительностью их воздействия и механическими свойствами среды.

Под действием тангенциальной составляющей внешних сил пликативные дислокации проявляются в виде складок. Рассмотрим основные термины, используемые для описания параметров складки. Боковые части поверхности складки приближаются к плоскостям и являются крыльями складки. Криволинейная часть поверхности по которой происходит переход одного крыла в другое, называется замком складки. Двугранный угол между крыльями складки является углом складки. Линия, по которой пересекаются продолженные крылья складки, называется шарниром складки. Поверхность, проходящая через биссектрисы углов и шарнир складки, называется осевой поверхностью складки. Линия, по которой осевая поверхность пересекается с поверхностью замка складки, называется осевой линией складки. По направлению падения крыльев относительно осевой поверхности различают антиклинальные и синклинальные складки. У антиклинальных складок изгиб слоев горных пород обращен замковой частью вверх. У синклинальных складок изгиб слоев обращен замковой частью вниз. Складки в зависимости от размеров делятся на четыре группы. Крупные складки 1 и 2 групп выявляются на стадии разведки. При ведении горных работ по результатам высотных маркшейдерских съемок необходимо искать складки 3 и 4 групп, устанавливать их характер и размеры на фоне крупных складок

Для описания в пространстве конкретной реализации отдельного природного фактора применяют следующее выражение

?(x,у)=[u(x,у)+?(x,у)+?],

где u(x,у) — низкочастотная составляющая изменчивости природного фактора (трёнд);

?(x,у) — высокочастотная (зональная) составляющая изменчивости природного фактора;

? — поле белого шума.

Каждая из составляющих может быть выделена цифровым фильтром с определенными частотными характеристиками. Все методы фильтрации полей природных факторов делят на три группы: 1) статистические методы;

2) методы аппроксимации;

3) пространственная фильтрация.

Статистические методы фильтрации основываются на вычислении статических характеристик и являются линейной фильтрацией. Наиболее простым случаем линейной фильтрации, уменьшающей интенсивность высоких частот, является метод вычисления скользящего среднего.

Нелинейная фильтрация выполняется с помощью аппроксимирующей функции путем удаления волновых колебаний, относящихся к этой функции. Величины отклонений фактической поверхности от аппроксимирующей поверхности содержат высокочастотную (зональную) составляющую изменчивости природного фактора и поле белого шума. Анализ таких отклонений позволяет выявлять мелкие складки длиной до километра и амплитудой до десятков метров, которые ранее не были выявлены и не отражены на гипсометрических планах. Нами предлагается нелинейную фильтрацию выполнять с использованием степенных полиномов. Восстановление полей природных факторов заключается в выявлении и последующем нанесении точек, по которым проходит ось складки.

Данный метод опробован на шахте Первомайская. На рисунке показан фрагмент цифрового плана по пласту 27 по лавам 31 и 33. План построен после фильтрации квадратичным полиномом.

z=a₀+ a₁x+ a₂y + a₃xy + a₄x² + a₅y²

где  a0    268692.96425816                  a1   -7.7805842354924

       a2   -2.3563880425681                  a3   2.5280046861486 e-005

       a4   6.3462606623963 e-005        a5   7.8041702960698 e-006

После удаления низкочастотной составляющей построен план оставшихся волнообразных изменений с использованием структурной функции. В результате выявлены две антиклинальные и одна синклинальная складки с размерами, относящих их к 4 группе. При дальнейшем анализе вдоль осевых линий складок выделены зоны 1, 2 и 3. При работе шахты в зону 1 попал участок выработки с номерами маркшейдерских точек от 4437 до 4450, в зону 2 попал участок выработки с маркшейдерскими точками 3745 и 3941, а в зону 3 - точки с номерами от 4439 до 4440. В этих местах при проходке выработок проходчики встретили серию мелких нарушений. В зоне 2 было куполение пород кровли. Таким образом, сравнение вычисленных участков повышенной трещиноватости с реальным состоянием их в массиве показало, что в этих участках массив разрушен, а указанные участки являются аномальными зонами дробления массива.

Размеры зоны и интенсивность повышенной трещиноватости вдоль осевой линии складки зависит от механических свойств массива и величины угла складки. Для определения положения зоны на плане снимаются с плана координаты точек пересечения выработками осевой линии складки и вводятся в базу данных цифровой модели. Для вычисления угла складки и радиуса кривизны необходимо ввести координаты трех точек вдоль изолиний. Радиус кривизны зависит от величины изменения угла простирания изолинии при входе и выходе из зоны трещиноватости.

Таким образом, выявление осевой линии складки позволяет выделить зоны с наибольшими деформациями. Породы в таких зонах представлены в разрушенном состоянии с повышенной трещиноватостью. В этих зонах резко изменяется устойчивость кровли угольных пластов. К осевым поверхностям мелких складок относят зоны внезапных выбросов угля и газа.

Основные преимущества предлагаемого подхода: 1) выделение зон с резким изменением геологических условий; 2) возможность делать прогноз на не вскрытые участки; 3) возможность создания фильтров с заданными частотными характеристиками; 4) решение задачи районирования природного фактора с помощью спектральных характеристик. Предложенный метод фильтрации и восстановления полей природных факторов позволили создать алгоритм и программу И-5-1 для решения задачи компьютерного поиска зон с аномалиями природных факторов.

Рис. План с выявленными зонами аномалий    по пласту 27 шахты «Первомайская».

Преимущества перед известными аналогами

Возможность создания фильтров с заданными частотными характеристиками. Выделение зон с резким изменением геологических условий, решение задач районирования с помощью спектральных характеристик.

Стадия освоения

Опробовано в условиях опытной эксплуатации

Результаты испытаний

Технология обеспечивает получение стабильных результатов

Технико-экономический эффект

Годовой экономический эффект -от 30 тыс. руб.

Возможность передачи за рубеж

Возможна передача за рубеж

Дата поступления материала

26.09.2006