CC BY
32
УДК 534:553.94./96 П.Н. Гуляев
ИНФОРМАТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АКУСТО-ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНАХ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*
Семинар № 3
Угольная промышленность в современных условиях
поставлена перед необходимостью резкого увеличения темпов подвигания подготовительных выработок до 5 - 15 м/сутки и нагрузок на лавы до 10 и более тысяч тонн угля в сутки. При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все
геомеханические процессы, происходящие в массиве гор-ных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушением,
газовыделением, приобретают более резкий динамичный характер, повышается риск возникновения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, разломов почвы с выбросом газа и других динамических явлений.
Увеличение скорости подвигания забоев (более 4 м/сутки) входит в неразрешимое противоречие с традиционными, еще широко
применяемыми шпуровыми методами контроля опасности внезапных выбросов и горных ударов, являющимися дискретными и требующими недопустимо много времени на бурение контрольных шпуров.
В соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на
пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» [1] прогноз выбросоопасности угольных пластов производится на следующих этапах освоения месторождения (шахтного поля):
• при ведении геологоразведочных работ;
• при вскрытии пластов;
• при проведении
подготовительных выработок и ведении очистных работ (текущий прогноз
выбросоопасности).
Прогноз выбросоопасности при ведении геологоразведочных работ
По результатам прогноза
выбросоопасности при ведении
геологоразведочных работ ВостНИИ
устанавливаются критические по внезапным выбросам глубины (п. 2.1.2 и 2.1.3, табл. 2.1. и 2.2. «Инструкции...»), начиная с которых осуществляется прогноз выбросоопасности (при вскрытии и текущий). Критические по внезапным выбросам глубины для различных
угольных бассейнов и районов, согласно этим таблицам, изменяются в диапазоне 150-500 м. При этом, как следует из пункта 2.1.5 «Инструкции.» возможно выделение неопасных участков и забоев на угрожаемых и выбросоопасных
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранд №05-05-65065). 140
шахтопластах и корректировка критических выбросоопасных глубин для условий Кузбасса по заключению ВостНИИ и ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского в соответствии с «Руководством по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ» [2].
Прогноз выбросоопасности в месте вскрытия
Перед вскрытием квершлагами или другими полевыми выработками в месте вскрытия бурят контрольные скважины, отбирают пробы угля, замеряют давление газа в пласте.
В Кузнецком бассейне прогноз выбросоопасности производят по показателю:
ПВ = РГ. max - 14f2mim
где РГ. max - максимальное давление газа в пласте на данной глубине от поверхности, кгс/см2; fmin - наименьшее значение коэф. крепости угля по угольным пачкам, выявленным разведочной скважиной, условные единицы.
При ПВ > 0 - опасно (зона пласта в месте вскрытия считается опасной).
На месторождениях Печерского бассейна, Приморья и о. Сахалин угольные пласты в месте вскрытия считаются опасными при давлении газа в контрольной скважине РГ > 10 кгс/см2.
На шахтах Ростовской области
Донбасса прогноз выбросоопасных пластов в месте вскрытия осуществляется по скорости
газовыделения из разведочных скважин g, йодному показателю AJ и
коэффициент крепости угля f.
Прогноз «неопасно» при
одновременном выполнении трех условий: g < 2 л/мин; AJ < 3,5 мг/ч; f > 0,6 у.е.
Если один из трех показателей не соответствует указанному условию, выдается прогноз «опасно».
Текущий прогноз выбросоопасности при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ
Текущий прогноз выбросоопасности согласно «Инструкции» предназначен для установления опасных и неопасных зон при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ [13].
Текущий прогноз выбросоопасности в подготовительных выработках
осуществляется по структуре пласта и по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров. Пласт считается выбросоопасным при наличии в нем пачек угля прочностью q < 75 у.е. (по
прочностномеру П-1) и скорости газовыделения из контрольных шпуров gн > 4 л/мин. Длина контрольных шпуров 5,5-6,5 м, диаметр 43 мм. Бурение шпуров и прогноз осуществляется через каждые 4 м подвигания забоя. Этот метод прогноза на данный момент является основным и наиболее распространенным на шахтах Кузбасса и других угольных бассейнов РФ.
Согласно «Инструкции...» являются нормативными и могут применятся также другие методы текущего контроля выбросоопасности.
При проведении нисходящих
подготовительных выработок на крутых пластах рекомендуется применять автоматизированный прогноз с применением аппаратуры контроля метана (АКМ).
На шахтах Ростовской области Донбасса, преимущественно в очистных выработках, рекомендуется применять метод текущего контроля
выбросоопасности по сейсмоакустической активности (акустической эмиссии) пласта, аппаратурой ЗУА.
При контроле выбросоопасности в подготовительных забоях может применяться метод прогноза по амплитудно-частотным характеристикам аппаратурой АК-1.
Как показали исследования [4-6] для решения проблем текущего контроля и прогноза опасности внезапных выбросов и горных ударов впереди забоев движущихся горных выработок (в том числе высокомеханизированных)
наиболее перспективным является подход основанный на спектральном анализе шумов, регистрируемых в горном массиве от работающего горного оборудования (комбайна, буровой установки и др.) При этом важно отметить, что спектр искусственного
сигнала, представляющего собой шум работающих в забое механизмов, отражает амплитудно -частот-ную характеристику угольного пласта и несущественно зависит от типа источника колебаний. Этот метод особенно интересен благодаря однозначности интерпретации связи измеряемого параметра с напряженным состоянием массива, простоте реализации и использованию акустических шумов действующего оборудования для зондирования массива (вместо того, чтобы подавлять их).
1,4
1,2
1
ш
Л 0,8
I 0,6
с
5 <
0,4
0,2
0
200
400
600 Частота, Гц
800
1000
1200
АЧХ(5м до нарушения) АЧХ(0 м до нарушения) АЧХ(5 м в нарушении)
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1500 1800 2000
Рис. 2. АЧХ колебательных процессов зарегистрированных для горно-геологических условий ш. СоцДонбасс при различном расположении зоны ПГД
____________ЕШ___________________________________________________________
-М
•Ампл. НЧ, 350 Гц -Ампл. ВЧ1, 700 Гц •Ампл. ВЧ2, 1000 Гц
Рис. 1. Спектры шума комбайна на расстоянии 15-90 м от источника на пласте Андреевский; а - в
Ри&АсИшшніб мередаыамо^ууг мипгтуды по меРе углубления гортх раб°т в зощ пгд, ш
СоцДонбасс
0
Известны две основные модификации методики спектрального анализа шумов в массиве от работающего оборудования, то есть техногенного происхождения.
Обе базируются на снижении затухания высокочастотной части спектра акустических шумов от действующего горного оборудования, вследствие закрытия трещин и
уплотнения массива при росте горного давления.
Отличие их состоит в том, что в первый прогноз дается по абсолютным величинам разности амплитуд низкочастотной и высокочастотной частей спектра шумов [6], а во второй - по безразмерной величине их отношения [6-8].
Спектральную характеристику
зондирующего сигнала формирует напряженно-деформированное состояние призабойной области угольного пласта, с повышением напряжений в пласте и возрастании его плотности уменьшается затухание высокочастотной части зондирующего сигнала. Лабораторные и шахтные наблюдения [5,7] подтвердили, что выбросоопасная ситуация отличается от невыбросоопасной существенно -повышенной амплитудой сигнала в резонансной области при том, частотный диапазон спектрального максимума
изменяется незначительно (рис. 1).
Однако теоретические исследования
влияния зон повышенного горного давления (ПГД) и их расположения по отношению к области ведения горных работ на регистрируемые амплитудночастотные характеристики (АЧХ) массива горных пород свидетельствуют о более сложном механизме формирования
колебательных процессов в нем. Моделирование влияния зон ПГД при проходческих работах на АЧХ колебательных процессов регистрируемых в горных выработках на расстоянии 10 м от обнажения угольного пласта проводилось с помощью численных конечно-разностных методов. Схема и алгоритмы моделирования приведены в [9, 10].
Анализ полученных результатов по шахтам им. А.А. Скочинского и СоцДонбасс свидетельствует, что АЧХ регистрируемых колебаний формируется исходным горно-геологическим
строением углепородного массива и местом расположения по отношению к горным работам зоны ПГД.
На рис. 2 представлены АЧХ
колебательных процессов
зарегистрированных для горногеологических условий ш. СоцДонбасс.
Из рисунка наглядно видно, что при различном расположении зоны ПГ Д колебательный процесс
перераспределяется между отдельными
областями зарегистрированного спектра с определенной закономерностью. По мере углубления горных работ в зону ПГД высокочастотная составляющая АЧХ растает значительно быстрее
низкочастотной, в некоторый момент опережает ее и разделяется на две группы колебаний в диапазонах 550-850 Гц и 8501100 Гц. Рост амплитуды колебательных процессов по мере углубления горных работ в зону ПГ Д для различных участков АЧХ представлен на рис. 3. Достаточно наглядно виден более интенсивный рост амплитуды высокочастотной
составляющей, как первой группы, так и второй по отношению к низкочастотной. Максимальное соотношение А:в /Ан=7,5, А2в /Ан=2,8 и изменяется в интервалах Ав = 0,01-1,0 у.е, А1в=0,01-7,5 у.е, А2в=
0,01-2,7 у.е..
На рис. 4 представлены АЧХ
колебательных процессов
зарегистрированных для горно-
геологических условий ш. им. А.А. Скочинского. Качественные
закономерности перераспределения между отдельными областями
зарегистрированного спектра при
различном расположении зоны ПГ Д имеют тенденции определенные в предыдущем примере, однако
количественные показатели отличаются существенно. Спектральный состав отдельных групп колебаний (явно прослеживаются три группы с частотой максимума 150, 450 и 700 Гц) имеет более низкочастотный вид. Изначально высокочастотная составляющая
преобладает над низкочастотной, но рост ее по мере углубления горных работ в зону ПГ Д также более интенсивный, как и в первом примере. И если сравнить интенсивность роста высокочастотной составляющей в приведенных примерах на расстоянии -10 м (рис. 3 и 5), то он больше для условий ш. им. А. А. Скочинского.
Анализ нормативных методов прогноза внезапных выбросов угля и газа,
Рис. 4. АЧХ колебательных процессов зарегистрированных для горно-геологических условий ш. им. А. А. Сочинского при различном расположении зоны ПГД
применяемых согласно «Инструкции...» [1] при очистных и проходческих работах в шахтах, а также теоретические исследования показывают:
1. Наиболее широко, до настоящего времени применяемый в шахтах способ текущего прогноза выбросоопасности по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров, не соответствует современным требованиям
обеспечения высокой ско-рости
подвигания забоев горных выработок.
Для осуществления этого способа текущего прогноза выбросоопасности необходимо бурить контрольные шпуры через каждые 4 м подвигания забоя и производить измерения, что требует длительной (на одну рабочую смену) остановки забоя через каждые 4 м подвигания;
2. Дистанционные способы текущего прогноз выбросоопасности, отвечающие требованиям высокой скорости подвигания очистных и подготовительных забоев горных выработок:
автоматизированный прогноз с
применением аппаратуры контроля метана (АКМ), метод прогноза по амплитудночастотным характеристикам аппаратурой АК-1, метод текущего контроля
выбросоопасности по акустической эмиссии пласта аппаратурой ЗУА - признаны
нормативными и применяются в
определенных горно-технических условиях шахт. Однако эти методы пока имеют
ограниченное применение в силу своей недостаточной надежности контроля выбросоопасности (напряженного
состояния, газодинамической активности и физико-механических свойств массива);
3. Информативными параметрами при использовании дистанционных методов и способов прогнозирования
выбросоопасности в режиме реального времени должны быть, как амплитудные, так частотные и энергетические характеристики регистрируемых
колебаний массива горных пород, а также их соотношения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по безопасному ведению 3. Руководство по предупреждению
горных работ на пластах, опасных по внезапным внезапных выбросов угля и газа в очистных
—■—Ампл ВЧ1, 450 Гц ВЧ2, 700 Гц
Расстояние до нарушения, м
Рис. 5. Изменение максимума модуля амплитуды по мере углубления горных работ в зону ПГД, ш. им. А.А. Сочинского
выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00) -М., НТЦ «Промышленная безопасность», 2001.
2. Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ/ Г.Н. Фейт, В.С. Зыков, О.Н. Малинникова, В.А. Рудаков -Люберцы-Кемерово, ННЦ ГП - ИГД им.
А.А.Скочинского, ВостНИИ, 1999.
забоях угольных шахт/ В.С.Зыков, В.И.Мурашев,
В.Н.Пузырев, Г.Н.Фейт, В.А.Рудаков и др. -Кемерово, НЦ ВостНИИ, 2002.
4. Дубиньски Ю. Оценка горного массива с использованием геофизических методов - новые возможности / Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2003.
5. Hanson D.R. Rock Stability analysis by acoustic spectroscopy. Mining Engineering, Vol. 37, No 1, January 1985, p. 54-60.
6. Мирер С.В., Хмара О.И., Масленников Е.В. Методика и аппаратура для акустического контроля выбросоопасности угольных пластов / Науч. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского,. - М.: 1988, С.20-24.
7. Фейт Г.Н., Хмара О.И., Хейфец А.Г.
Современный уровень и перспективы развития методов прогноза, контроля и управления состоянием массива горных пород // Проблемы разработки угольных месторождений: Научн.
гообщ./ Ин-т горного дела им. А.А. Скочинского. М., «Недра». - 1997. - Вып. 306. - С. 203-211.
8. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Хмара О.И. Контроль и прогнозирование состояния забоев
опасных по газодинамическим явлениям// Межд. конф. т.1: Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках. - Болгария, Варна. - 1998. - С. 174-181.
9. Захаров В.Н., Гуляев П.Н., Харченко А.В. Исследование акустико-вибрационных процессов углепородного массива в зонах ведения горных работ / Горн. инф.- аналитич. бюлл. - М.: МГГУ. 2005. - Вып. 6 - С. 69-74.
10. Захаров В.Н., Харченко А.В. Исследование энергетических и спектральных характеристик колебательных процессов угольного пласта и вмещающих пород при проходке горных выработок. / Материалы XVI сессии РАО // М. - 2005 - том 1, С. 342-347.
— Коротко об авторах
Гуляев П.Н. - аспирант, ИПКОН РАН.
-------------------------------------- © А.В. Анциферов, А. А. Глуз
2006
УДК 534:553.94./96
А.В. Анциферов, А.А. Глухов
О ВОЗБУЖДЕНИИ СИГНАЛА ВО ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ ПРИ ПРОГНОЗЕ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАЛЕГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕТОДОМ ШАХТНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Семинар № 3
Методики прогноза горногеологических условий
залегания угольных пластов опираются на возбуждение каналовых и боковых волн, несущих основную информацию об его строении и аномалиях. Возникает важный вопрос: всегда ли оптимальной точкой для генерации волн данной природы является ли центр пласта. В конкретных условиях
проведения натурных экспериментов бывает крайне затруднено возбуждить сейсмоакустические колебания путем удара тампером по обнажению пласта по причине его недоступности. При этом удары вынужденно производятся по породам почвы либо кровли пласта. Опыт показывает, что в ряде случаев наблюдается устойчивый прием
