CC BY
175
УДК 550.834.05, 622.2.
К вопросу повышения достоверности прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах с использованием сейсмоакустических методов
Исследования выполнены за счёт гранта РНФ (проект № 17-17-01143)
О.В. Тайлаков, д-р. техн. наук, проф.; С.В. Соколов, мл. научн. сотр., Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (Кемерово)
Д
ля повышения достоверности прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в , угольных шахтах с использованием сейсмоакустических методов необходимо использовать массив качественных сейсмоакустических данных, контрастно отражающий изменение физико-механических параметров разрабатываемого углепородного массива [1-4]. При этом процесс продолженного непрерывного прогноза, опережающего подви-гание забоя, осложняется наличием фоновых помех различной природы, состава и интенсивности, создаваемых работающим горношахтным оборудованием при выемке угля очистными и проходческими комбайнами, передвижке секций мехкрепи, при перемещении по выработкам персонала шахты и оборудования, функционировании систем проветривания горных выработок и дегазации угольных пластов.
Для оценки состояния кровли применено сейсмическое просвечивание на проходящих волнах, выполняемое в окон-туривающих выемочный столб параллельных выработках. При выполнении геофизических работ по бортам выработок были размечены геофизические пикеты возбуждения-приема колебаний с заданным на основе особенностей изуча-
емых объектов интервалом. Приемная база формировалась путем линейного поинтервального размещения на стенке выработок сейсмоприемников или геофонов, подключенных к автономным регистрирующим сейсмостанциям (рис. 1).
Основным фактором, ограничивающим возможности геофизических методов исследования в шахтных условиях, является необходимость обеспечения требований безопасности. По этой причине для исследования состояния кровли угольного пласта применяются механические источники колебаний, что ограничивает возможность качественного анализа амплитудных характеристик сигнала. Поэтому в прогнозе динамических явлений используется частотные и кинематические характеристики сейсмического сигнала. При этом механический источник колебаний позволяет в выемочном столбе три вида волн, а именно продольные и поперечные сейсмические волны, распространяющиеся в области кровли и почвы, а также каналовые волны, проходящие непосредствен-
Табл. 1 Характерные особенности частотного состава сигнала, регистрируемого в ремонтную смену
ПВ
Наличие помех Среднее значение частоты суммарного сигнала, Гц Доминирующая частота помех
Перемещение персонала 1°8 5, 5°
Работа конвейера 153 25, 5°, 6°
Работа насосной установки 125 5°, 75
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1° 11 12 13 14 15 16
Рис. 1
Схема сейсмического просвечивания кровли выемочного столба на примере распространения проходящих волн от первого пикета возбуждения колебаний (ПВ) к пикетам приема колебаний (ПП) [5]
72 | «Горная Промышленность» №6 (1 36) / 201 7
Рис. 2 Исходная многоканальная сейсмограмма
Рис. 3 Многоканальная сейсмограмма после использования алгоритма процедур обработки данных
Координата пикета приема колебаний, м
О 40 80 120 160 200 210 280 120 М
м
тттттттттттттп
Область изменения скоростных характеристик сигнала
Рис. 4 Изменения прослеживания оси синфазности,
вызванное различными физико-механическими свойствами пород в пределах исследуемого интервала выемочного столба
но по угольному пласту [6].
Частотный диапазон информативных данных, при этом определяется в интервале 90-150 Гц. Как правило, геофизические измерения проводятся в ремонтную смену, для которой характерно снижение общего количества источников и интенсивности генерируемых ими шумов (табл. 1).
Наличие разного рода помех отражается на качестве исходных сейсмических данных (рис. 2). В этих условиях был разработан комплекс мер, применяемых на этапах шахтовых измерений и камеральной обработки данных, позволяющих выделить в череде помех полезный сигнал. Для шахтовых измерений - это использование накопления серий возбуждения сигнала с различными промежутками между генерированием волн. Для камеральной обработки - алгоритм, составленный на основе базовых процедур обработки, имеющихся практически в каждом редакторе сейсмических данных: анализ частотного спектра волновой картины, выделение интервала частот полезного сигнала, вычитание помех, отличных по частоте от полезного сигнала, регулировка амплитудного уровня (рис. 3).
Применение представленных процедур обработки обеспечивает выделение перечисленных выше видов волн на фоне помех, вызванных технологическими процессами при угледобыче подземным способом. При этом качество данных позволяет регистрировать проявления на осях синфазности изменения скорости прохождения волны в породах, характеризующих наличие в массиве геологических формаций с различными физико-механическими свойствами (рис. 4).
В качестве примера возможности получения достоверных сейсмо-акустических данных в условиях действующей угольной шахты представлен фрагмент горизонтального разреза распределения скоростных характеристик в области выемочного столба (рис. 5), полученный путем использования инструментария томографического обследования моделируемой среды, расположенной между двумя выработками, основанного на следующей общей зависимости [7]:
П 1
г = [—аг, И V
где V - скорость прохождения сейсмической волны; 1 - расстояние от источника до приемника .
Данная зависимость при разделении изучаемого участка на N пикселей, принимает следующую форму:
, 1 ,
= !;=1 ,
где п - количество наблюдений;
йг] - расстояние, пройденное лучем I (I = 1...п) в пикселе /.
Это позволяет произвести оценку мгновенных скоростей на различных участках исследуемой области. Интерпретация скоростных характеристик представленного сейсмотомографического разреза позволят сделать вывод о наличии 2 контрастных областей, характеризующих изменение физико-механических параметров кровли. Область №1 характеризуется повышенными скоростями продольных волн. Максимальные скорости распространения колебаний на дан-
Рис. 5 Фрагмент горизонтального разреза распределения скоростных характеристик в области выемочного столба
«Горная Промышленность» №6 (136) / 2017 | 73
ном участке выемочного столба достигают 4 км/с. Основной особенностью области №2 является наличие в массиве на момент выполнения работ влаги, проявляющийся кроме прочего в притоке воды в выработки во время исследования. Состояние характеризуется пониженными значениями скоростей распространения продольных волн. В пределах областей №1 и №2 выделены участки контрастного изменения физико-механических параметров углепородного массива, которые были разделены на две категории. К категории А относятся зоны с повышенными скоростями распространения волн, характеризующих интервалы замещения пород непосредственной кровли, представленной мелкозернистым и крупнозернистым алевролитом, песчаником мелкозернистым. К категории В отнесены участки неустойчивых трещиноватых пород естественного и техногенного происхождения. С учетом результатов геофизических измерений была проведена корректировка противовыбросных мероприятий, планируемых для отработки выемочного участка, что позволило снизить простои при добыче угля.
Таким образом, в условиях действующих угольных шахт возможна регистрация сейсмоакустических данных с качеством, позволяющим впоследствии выделить информативные оси синфазности продольных, поперечных и каналовых волн, на основе анализа которых можно выполнить оценку физико-механических характеристик горных пород выемочного столба. Для повышения достоверности непрерывного прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах рекомендуется проводить детальный анализ амплитудно-частотных характеристик фоновых помех, присутствующих на угледобывающем предприятии. По результатам анализа возможно дополнить об-
работку регистрируемого сигнала на основе программного внедрения процедур обработки из представленного алгоритма или установить внешние аппаратные модули для подавления помех.
Информационные источники_
1. Шадрин А.В., Контримас А.А. Задачи совершенствования спектрально-акустического прогноза динамических явлений в угольных шахтах // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. - 2017. - № 3. - С. 408-413.
2. Тайлаков О.В., Макеев М.П., Соколов С.В., Уткаев Е.А Применение сейсмоакустического профилирования для уточнения условий залегания угольных пластов //Наукоемкие технологии разработки и использованиия минеральных ресурсов: сб. научн. статей, Сиб. гос. индустр. унт; под обшей ред. В.Н. Фрянова. - Новокузнецк, - 2012. - С. 266-267.
3. Салтымаков Е.А. Выбор эффективной глубины зондирования для уточнения параметров породного массива методом электротомографии / Е.А. Салтымаков // Ежегодная молодежная конференция ИУСО РАН - 2015 [Электронный ресурс]: сб. тр. конференции, Кемерово, 16-17 апреля 2015 г. - Электронные текстовые дан. - Кемерово: Институт угля СО РАН, 2015. -1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с этикетки диска. - ISBN 978-5-902305-46-0. № гос. регистрации: 0321502236 № свидетельства 40872 от 21 августа 2015 г. - С. 79-88.
4. Соколов С.В. Применение сейсмической разведки для оценки условий залегания угольных пластов и определения в углепородном массиве зон с измененными характеристиками // ISBN 978-5902305-46-0, Ежегодная молодежная конференция ИУ СО РАН - 2015 [Электронный ресурс]: сб. тр. конференции, Кемерово, 16-17 апреля 2015 г. - С 97-104.
5. Технология и результаты сейсмотомографических исследований на проходящих волнах в угольных шахтах Кузбасса / А.С. Сальников, Б.А. Канарейкин, С.В. Долгова, К.А. Дунаева, О.М. Сагайдачная, А.С. Харламов // Технологии сейсморазведки. - 2012. - № 2. - С. 74-88.
6. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. - М.: Недра, 1988. -199 с.
7. Jackson M.J., Tweeton D.R. MIGRATOM - Geophysical Tomography Using Wavefront Migration and Fuzzy Constraints/Report of Investigations 9497, Bureau of Mines [http://pubs.usgs.gov/of/2000/ofr-00-0457/] (Дата обращения: октябрь 2017 г.).
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук»
650000, г. Кемерово, пр-т Советский 18
тел.: +7 (3842) 36-34-62 - Ирина Борисовна Морозова
e-mail: centr@coal.sbras.ru
www.kemsc.sbras.ru
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН) организован на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Кемеровского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (КемНЦ СО РАН), Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИУХМ СО РАН), Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института угля Сибирского отделения Российской академии наук (ИУ СО РАН) и Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института экологии человека Сибирского отделения Российской академии наук (ИЭЧ СО РАН) в результате реорганизации КемНЦ СО РАН в форме присоединения к нему ИУХМ СО РАН, ИУ СО РАН и ИЭЧ СО РАН в соответствии с приказом ФАНО России от 30 июня 2015 г. № 333.
КемНЦ СО РАН организован как Кемеровский научный центр Сибирского отделения Академии наук СССР постановлением Совета Министров СССР от 26 мая 1990 г. № 525 и постановлением Президиума Сибирского отделения Академии наук СССР от 16 октября 1990 г. № 491.
В связи с восстановлением Российской академии наук Указом Президента РСФСР от 21 ноября 1991 г. № 228 Кемеровский научный центр Сибирского отделения Академии наук СССР вошел в состав Российской академии наук как Кемеровский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук.
КемНЦ СО РАН переименован в Учреждение Российской академии наук Кемеровский научный центр Сибирского отделения РАН в соответствии с постановлением Президиума Российской академии наук от 18 декабря 2007 г. № 274.
Постановлением Президиума Российской академии наук от 13 декабря 2011 г. № 262 КемНЦ СО РАН переименован в Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Кемеровский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук.
В соответствии с Федеральным законом от 27 сентября г. № 253-ФЗ «О Российской академии наук, реорганизации государственных академий наук и внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и распоряжением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2013 г. № 2591-р КемНЦ СО РАН, ИУХМ СО РАН, ИУ СО РАН и ИЭЧ СО РАН переданы в ведение Федерального агентства научных организаций (ФАНО России).
Целью деятельности ФИЦ УУХ СО РАН является проведение и координация по поручению ФАНО России фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований в областях: теории и технологий рационального, эффективного и безопасного освоения и разработки угольных и сланцевых месторождений; горного (угольного) машиностроения; обогащения и глубокой переработки угля, черных сланцев; углехимии, химии углеродных материалов, композитов и наноструктур; адаптации человека к вредным факторам окружающей среды; разработки и внедрения новых здоровьесберегающих технологий; создания экологически комфортной среды жизни в угледобывающих регионах; сохранения исторического наследия угольных регионов; разработки информационно-телекоммуникационных технологий для угледобывающих регионов; участие в образовательной и инновационной деятельности, способствующих развитию угольной и углехимической промышленности Кемеровской области и Российской Федерации в целом.
74 | «Горная Промышленность» №6 (136) / 2017
