CC BY
47
© М.Д. Молев, В.А. Матвеев , 2002
УДК 622.83:550.3
М.Д. Молев, В.А. Матвеев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ*
В
формировании проявлений горного давления в очистных забоях угольных пластов основная роль принадлежит смещениям пород кровли в призабойном и выработанном пространстве. В обшдх величинах смещений участвуют две составляющие - континуальная ип, которая определяется напряженным состоянием пород кровли и пласта впереди забоя и дискретно-динамическая ик, которая формируется в результате кинематического и силового взаимодействия блоков разрушающей кровли между собой и крепью.
Вторая составляющая смещений является превалирующей, и ее величина определяется в основном степенью под-бучивания вышерасположенных слоев кровли обрушенными породами нижних слоев в результате их разрыхления. Наиболее важным фактором, определяющим величину коэффициента разрыхления Кр является "степень свободы обрушения", определяемая отношением высоты свободного
падения к мощности очередного обрушающегося слоя —.
Ь
При построении теории геомеханических процессов в очистном забое с целью их прогнозирования неизбежно необходим учет явления подбучивания обрушающихся слоев кровли.
На основе анализа фактических данных предложена функция, аппроксимирующая зависимость коэффициента разрыхления Кр от указанного выше основного фактора в форме
Кр1 = 0,35Л (у-2)+1,35 [1].
Ь
Из всего изложенного следует первостепенная важность правильного представления о структуре слоистой кровли пластового месторождения, поскольку амплитуды возможных опусканий блоков кровли и передаваемых нагрузок на крепь будут различными в зависимости от мощностей слоев, слагающих породные пачки: при крупнослоистой структуре они будут более значительными, чем при мелкослоистой.
Однако в геологических разрезах и их описаниях, полученных в результате геологической разведки, практически отсутствует детализация структур пачек выделенных пород.
Анализ представительного массива фактических данных показывает, что распределение мощностей породных слоев, которые разделены поверхностями ослабленных механических контактов (ОМК), весьма неравномерно на различных участках шахтного поля и даже в пределах выемочного столба. Таким образом, оценка расслоения не может быть
выполнена с необходимой точностью посредством метода аналогий, учитывающего материалы по отработанным участкам. Объективные данные о мощностях породных слоев могут быть получены только инструментальными способами (разведочным бурением, геофизическими). Применение буровых методов, позволяющих довольно точно оценить расслоение горных пород, в условиях движущегося очистного забоя ограничено по причине значительных финансовых и временных затрат на производство работ.
В настоящее время широкое распространение для исследования строения кровли горных выработок получили шахтные геофизические методы, основанные на изучении зависимостей информативных параметров физических полей от пространственного распределения дефектов в структуре горных пород, слагающих углевмещающий массив. Среди указанных методов наибольший интерес представляют электрические и акустические методы. Скважинные методы, представляющие собой различные модификации каротажа, в сравнении с разведочным бурением, обладают рядом преимуществ в плане оперативности исследований и информативности получаемых результатов. Однако они не позволяют получить пространственное распределение ОМК с требуемой для прогнозирования проявлений горного давления точностью.
В горно-технических условиях очистного забоя более предпочтительными являются дистанционные бесскважин-ные геофизические методы -геоэлектрическое и геоакусти-ческое профилирование, при которых для возбуждения и регистрации ответных возмущений электрических и акустических полей используется непосредственная кровля призабойного пространства или подготовительной выработки. Относительно использования геоэлектрического профилирования следует заметить, что антрацит имеет низкое электрическое сопротивление (0,1-1 0м/м), в то время как во вмещающих породах оно на два порядка больше [4]. Поэтому такие геоэлектрические условия не благоприятствуют применению электрических методов оценки расслоения пород кровли на антрацитовых пластах, поскольку электрическое поле концентрируется в самом пласте.
Из приведенного обзора следует, что наиболее подходящим для условий антрацитовых шахт Донбасса является сейсмоакустический (геоакустичес-кий) метод изучения строения пород кровли очистного забоя. В свою очередь сейсмоакустические методы по принципу использования в качестве информативных параметров для оценки горного массива разделяются на волновые и спектральные. Все известные модификации геоакустического метода имеют практически одинаковые характеристики. Существенное различие состоит в возможностях практической реализации разработанных методик измерений в горных выработках. Аппаратурное и методическое обеспечение волновой (пластовой) сейсморазведки предполагает использование многоканальной измерительной аппаратуры, специальных способов крепления приемников сейсмосигнала на поверхности
^Работа выполнена при финансовой поддержке Минобразования России по конкурсу грантов 2000 г. (грант ТОО - 4.1-2753).
обнажения горной выработки, сложной и продолжительной по времени обработки полученных материалов. Для иллюстрации можно отметить, что на выполнение полного цикла измерений на профиле длиной 200 м методом пластовой сейсморазведки в типичных горно-технических условиях требуются две бригадо-смены натурных исследований и рабочая смена для камеральной обработки. При этом на время проведения шахтных исследований должны быть прекращены производственные процессы в горной выработке.
Более оперативным и менее трудоемким в условиях очистных забоев является метод геоакустических спектральных исследований. Значительный опыт его использования в течение 15 лет накоплен в бюро шахтной геофизики ОАО "Ростовуголь''. Как следует из названия, в качестве информативных параметров метода используются амплитудно-частотные характеристики спектра акустического сигнала. Анализ представительного массива данных, полученных в процессе шахтных измерений, позволил отработать методику съемки, определить факторы, влияющие на характеристики регистрируемого сигнала, разработать методику интерпретации, усовершенствовать измерительную аппаратуру. В результате был создан аппаратурноизмерительный комплекс акустической резонансной дефектоскопии (АРД), представляющий собой сочетание шахтного регистрирующего прибора, лабораторного анализатора спектра и методики интерпретации. Затраты на исследование вышеуказанного участка горной выработки (200 м) с выдачей заключения о расслоении кровли составляют всего две бригадо-смены, причем непосредственно шахтные измерения занимают приблизительно два часа. Погрешность определения мощности породных слоев не превышает 15 %, что подтверждается сопоставлением прогнозных и фактических материалов.
На основании аналитических и экспериментальных исследований для решения задачи нахождения поверхностей ОМК принята физико-геологическая модель, согласно которой угленосная толща представляется плоскопараллельной структурой, состоящей из ряда породных слоев (рисунок). Физическая сущность процесса состоит в том, что при ударном возбуждении массива горных пород в нем возникает явление так называемого толщинного резонанса [2, 3]. Реакция плоскопараллельной породной толщи на удар представляет собой кратковременный колебательный процесс, спектр которого имеет максимальную плотность вблизи частоты
где V - средняя скорость колебаний в массиве по оси Z, м/с; к - расстояние от кровли угольного пласта до поверхности ОМК , м.
Поскольку исследуемый массив представляет собой многослойную среду, то кроме отдельных слоев горных пород образуются так называемые "составные'' слои, представляющие совокупность нескольких породных слоев. Теоретическое рассмотрение и анализ экспериментальных кривых позволяют сделать вывод, что, имея доступ к слоистому Физико-геомеханическая модель эффективной части пород кровли угольного пласта над горной выработкой: ть т2, т3,..^ - мощности слоев 1-1, 2-2, 3-3, ..., К-К- поверхности ОМК; к], к2, к3,... кь - расстояние от кровли угольного пласта до поверхности ОМК
массиву только с одной стороны, можно надежно выделять звучание составных породных слоев-резонаторов, которые в качестве одной своей плоскости имеют поверхность обнажения. Так, в соответствии с рисунком при доступе к кровле горной выработки со стороны первого породного слоя можно получить информацию о следующих структурах: h1; h1 +h2; h1+h2+hз и т.д. Соответственно резонансные частоты спектральных составляющих будут определяться выражениями:
V V V
/ =—; /2 =--------------; /3 =----------------,
2Й! 2(й + й2) 2(й + й2 + й3)
где й1, й2, й3, - мощности слоев, м; V - средняя скорость распространения колебаний (для Донбасса 4000-5000 м/с); / - частота резонансных колебаний, Гц.
Явление резонанса, естественно, будет наблюдаться и в отдельных слоях, составляющих толщу пород. Но энергия резонансного отклика будет наибольшей для структур, имеющих свободную поверхность, на которой имеет место резкое различие акустических характеристик (горной породы и воздушной среды). По этой причине звучание отдельных слоев-резонаторов, а соответственно и наличие спектральных составляющих на амплитудно-частотном графике наблюдается только вблизи пункта возбуждения. Подтверждение данного тезиса получено в результате анализа экспериментальных данных при исследовании строения кровли на шахтах ОАО "Ростовуголь". На основе сопоставления прогнозных и фактических материалов были определены оптимальные параметры методики шахтной съемки и ин-
терпретационные зависимости, в частности, расстояние между пунктами возбуждения и приема колебаний - 2-3 м. Глубинность исследований составляет 14-16 м от границы угольного пласта с породами кровли, что соответствует мощности породной толщи, активно влияющей на геомеха-нические процессы.
С использованием метода АРД на шахтах ОАО "Ростов-уголь" в общей сложности были исследованы структуры пород кровель на 147 участках подготовительных и очистных выработок с целью оценки их устойчивости. Показателем надежности и информативности метода АРД может служить тот факт, что в процессе ведения горных работ маркшейдерско-
геологическими службами шахт не было зафиксировано каких-либо существенных расхождений между поведением пород кровель по фактору устойчивости и возможных обрушений и заключениями, сделанными на основе геофизических исследований.
В 2001 г. в рамках программы исследовательских работ по гранту Mинобразования России ТОО-4.1-2753 были проведены исследования структуры активной толщи кровли пласта mi8 в лаве № 13 шахты «Садкинская» ОАО "Ростовуголь" в шести створах по мере движения очистного забоя. На основе исследования была воспроизведена детальная
структура активной части кровли пласта т18 и выполнена геомеханическая оценка слоистости кровли с удалением от пласта [5].
Полученные данные были использованы для реализации исходной версии компьютерной программы прогнозирования проявлений горного давления в конкретных условиях при двух вариантах характеристик механизированной крепи и режимов выемки пласта. Результаты реализации показали качественную адекватность их фактическим проявлениям горного давления в очистном забое.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеев В.А. Геомеханика кровли угольного пласта в очистном забое. "Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики". Тр. Международ/ конф. /ВНИМИ, 1721 июня 1996 г. - СПб, 1996. - С. 271-275.
2. Борисов А.А., Гликман А.Г., Казакова В.Л. Геоакустические методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов / -Л.: ЛГИ, 1984.
3. Бауков Ю.Н., Данилов В.Н. Физи-
ческие основы резонансного метода контроля расслоений кровли горных выработок //Изв. ВУЗов. Горный журнал. -1988. - № 1.
4. Молев М.Д. Геофизическое прогнозирование горно-геологи-ческих условий подземной разработки угольных пластов /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ. 2000.
5. Матвеев В.А., Мосяков В.А., Миха-
лев Е.С. Геомеханическая оценка структуры кровли угольного пласта mi8 в условиях шахты "Садкинская" ОАО "Ростовуголь". "Научно-технические и технологические проблемы угледобывающего производства Восточного Донбасса" Сб. науч. тр. СKНЦ ВШ.: Ростов-на-Дону, 2001 г. — С. 20-24.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------
Молев Михаил Дмитриевич — доцент, кандидат технических наук, Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). Матвеев Валентин Александрович — профессор, доктор технических наук, Южно-Российский государственный технический университет (НПИ).
