Исследования акусто-вибрационных процессов углепородного массива в зонах ведения горных работ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

----------------------------------------- © В.Н. Захаров, П.Н. Гуляев,

А.В. Харченко, 2005

УДК 550.3:622.2:622.33:622.83

В.Н. Захаров, П.Н. Гуляев, А.В. Харченко

ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТО-ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА В ЗОНАХ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ*

Семинар № 2

~П настоящее время все работающие

.О шахты Воркуты и более половины шахт Кузбасса эксплуатируются на глубинах, ниже критических по фактору горных ударов и внезапных выбросов. За последние годы, не смотря, на закрытие ряда шахт, разрабатывающих угольные пласты в сложных горногеологических условиях, в том числе опасных по гео- и газодинамическим явлениям, вероятность проявлений горных ударов и внезапных выбросов остается достаточно высокой, так как непрерывно растет глубина разработки угольных пластов и увеличивается доля высокопроизводительной проходческой и очистной техники в горнодобывающем производстве.

Применение мощного горного оборудования приводит к резкому увеличению темпов проходческих и очистных работ, что влечет за собой формирование зон повышенного горного давления в непосредственной области ведения горных работ, которые, как правило, являются основной причиной инициирования горных ударов и внезапных выбросов при динамическом воздействии на угольный пласт. Как показывает статистика более 90 % гео- и газоди-намичеких явлений происходят именно в момент воздействия на угольный плат проходческого оборудования или проведения буровзрывных работ.

Так на 41 шахтах Кузнецкого угольного бассейна за период с 1943 по 2003 годы произошло 192 внезапных выбросов угля и газа, 137 сходных с ними внезапных высыпаний (обрушений) угля с повышенным газовыделе-нием и 168 горных ударов.

В Кузбассе внезапные выбросы и горные удары в подавляющем большинстве случаев происходили в подготовительных горных вы-

работках. При очистных работах зафиксировано 11 внезапных выбросов и 60 горных ударов при разработке угольных пластов в Кузбассе произошло в межблочных целиках.

Основную и определяющую роль в прогнозировании выбросо- и удароопасности в процессе ведения очистных и проходческих работ играют методы непрерывного текущего контроля. Одним из таких наиболее распространенных методов является сейсмоакустический метод регистрации акустической эмиссии угольного пласта и вмещающих пород в режиме реального времени. Метод прогноза по параметрам АЭ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, он обладает слабой помехозащищенностью от шумов действующего горного оборудования, что вынуждает контролировать АЭ горного массива либо в моменты остановки горных работ, либо использовать специальные методы и алгоритмы фильтрации, что не всегда возможно. Во-вторых, отдельные угольных пласты имеют низкий уровень акустической активности, что усложняет или даже делает невозможным прогноз выбросо- и удароопастно-сти. И основной недостаток данного метода заключается в том, что контролируемая активность АЭ характеризует не остаточный ресурс устойчивости массива горных пород, а интенсивность развития трещин, возрастающие значения которой могут свидетельствовать о начале разгрузке пласта, а временное затишье -предвестником последующим разрушением.

Более надежные результаты получены спектрально-акустическим методом текущего прогноза выбросо- и удароопасности, который основан на спектральном анализе шумов работающего горного оборудования. Метод базируется на анализе низкочастотной (НЧ) и высо-

* Работа выполнена при поддержке государственной программы «Ведущие научные школы» (проект НШ -1467.2003.05).

кочастотной (ВЧ) составляющих регистрируемого спектра колебаний массива горных пород в зонах ведения горных работ создаваемых буровым оборудованием, проходческими или очистными комплексами, а также буровзрывными работами. В качестве критериев прогноза используется либо величина разности между средними значениями амплитуд НЧ и ВЧ частей спектра, либо отношение максимума амплитуд колебаний в ВЧ и НЧ частях. Метод частично внедрен на шахтах Донбасса, Карагандинского бассейна и Кузбасса. Недостатком данного метода является недостаточная теоретическая и экспериментальная проработанность механизмов формирования амплитудночастотных спектров в различных горногеологических условиях залегания угольных пластов, а также влияния на их параметры ряда природных и технологических факторов. Результаты промышленного использования спек-трально-акустичес-кого метода показывают недостаточную надежность введенных критериев прогноза гео- и газодинамических явлений.

В данной работе делается попытка с помощью методов математического моделирования и современных компьютерных технологий выполнить цикл исследований влияния строения, нарушенности, физико-меха-нических свойств углепородного массива и различных типов источников колебательных процессов на механизмы формирования акусто-вибрационных процессов в зонах ведения горных работ и их спектрально-акустические характеристики.

Для проведения расчетов использована математическая модель формирования и распространения колебательного процесса в углепородном массиве предложенная и развитая в работах Био, Толстого, Захарова.

Система дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами решается численным конечноразностным методом. Использована явная конечно-разностная схема для исследования вол-

новых процессов в вертикальной плоскости геологического разреза. Задача решается в двумерной постановке.

Схематичное представление угольного пласта и вмещающих пород в вертикальной плоскости геологического разреза показано на рис.

1. На рис. 1а изображена базовая модель горногеологических условий залегания угольного пласта.

Угольный пласт мощностью 2 м залегает горизонтально. Почва и кровля угольного пласта представлена песчаниками с одинаковыми физико-механическими и сейсмоакустически-ми свойствами. Сейсмоакустические свойства угля и вмещающих пород приняты на основе многочисленных экспериментальных исследований следующими:

- скорость продольных волн в угле - Уур = 2,7 м/мс;

- скорость поперечных волн в угле - Уу5 =

1,5 м/мс;

- коэффициент затухания колебаний Р и Б поляризации в угле принят одинаковым и равным аур = ау5 = ру = 0,01 1/м;

- скорость продольных волн в песчанике -Упр = 3,7 м/мс;

- скорость поперечных волн в песчанике -V" = 2,4 м/мс;

- коэффициент затухания колебаний Р и Б поляризации в песчанике принят одинаковым и равным апр = аш = рп = 0,005 1/м.

Источник колебательного процесса расположен в центре модели, посередине угольного пласта. На рис. 1б представлена модель по геологическим, физико-механи-ческим и сейсмоакустическим свойствам повторяющая базовую (рис. 1а). Отличие заключается Рис. 2. Источник колебательного процесса: а) форма импульса и длительность работы источника; б) спектральный состав источника

Рис. 3. Временной срез колебательного процесса в плоскости геологического разреза при 1=100 мс. Источник расположен в центре модели: а) Х компонента; б) У компонента

' д 4 ►! 1 м от источника |

I 2,5 м от источника 1 \ 'А Ї " \ ■

- І \ | 7,5 м от источника | *

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Частота, гц

Рис. 4. Спектральный состав Х компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

4 О

Рис. 5. Временной срез колебательного процесса в плоскости геологического разреза с горной выработкой протяженностью 10 м при 1=25 мс: а) Х компонента; б) У компонента

Частота, гц

Рис. 6. Спектральный состав Х компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

д Л1 м от источника | -

і !

І / Ї 1 2,5 м от источника 1 -

>' / / к ду Л / Л / / / \\ ^ 7,5 м от источника |

Частота, гц

Рис. 7. Спектральный состав У компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

в наличии горной выработки определенная часть которой не закреплена, т.е. почва, кровля и обнажение угольного пласта (забой) представляют собой свободные от напряжений поверхности. Вокруг горной выработки может присутствовать зона трещиноватости с повышенным коэффициентом затухания = 0,03 1/м.

В качестве источника колебательного процесса выбрана зависимость, передающая смещения горных пород в момент проведения буровзрывных работ (рис. 2). Данный выбор обусловлен тем, что одной из наиболее частых причин развития гео- и газодинамических проявлений являются буровзрывные работы.

Амплитудно- частотный спектр источника (рис. 2б) имеет достаточно широкую полосу частот от единиц герц до 1000 гц с максимумом в районе 450 гц.

Основная цель исследований понять природу механизмов колебательных процессов вокруг выработок при проходческих работах в различных горно - геологических условиях, при различных способах проведения и крепления.

Результаты выполненных расчетов в виде временных срезов и амплитудно-частотных спектров для базовой модели представлены на рис. 3, 4. Источник расположен в центре модели.

Формы и характер колебательного процесса представленные на рис. 3а,б свидетельствуют о распространении колебаний по угольному пласту. Спектральный состав Х-компоненты колебательного процесса при удалении по нормали к угольному пласту постепенно теряет высокочастотную составляющую. Ширина спектр уменьшается, максимум падает. Это также подтверждает известный факт о том, что высокочастотная составляющая колебательного процесса концентрируется в районе угольного пласта.

Таким образом, полученные результаты тестовых расчетов по базовой модели передают основные механизмы формирования и распространения колебаний в угольном пласте и вмещающих породах не нарушенных горными работами.

Конечно же, представленная модель сильно упрощена в геологическом плане, но это сделано для того, чтобы картина формируемых колебаний была более понятна и не требовала применения достаточно громоздких и трудоемких процедур разделения получаемых волновых картин на отдельные типы волн для их последующего анализа.

Дальнейшие расчеты были выполнены на модели с горной выработкой, которая схематично изображена на рис. 1б. Источник расположен в центре модели. Незакрепленная часть горной выработки имеет протяженность порядка 10 м. Зона разгрузки (повышенной трещиноватости и затухания) вокруг выработки отсутствует. Результаты расчетов для данной модели представлены на рис. 5, 6 и 7.

Временной срез колебательного процесса в плоскости геологического разреза на момент времени & = 25 мс для Х и У компонент показан на рис. 7 а, б. Для Х-компоненты отчетливо наблюдается концентрация колебаний вокруг горной выработки и постепенное нарастание их амплитуды, что свидетельствует о появлении резонансных процессов. У-компонента ведет себя более устойчиво, однако концентрация колебаний вокруг горной выработки также наблюдается.

Спектральный состав Х и У компонент представленный на рис. 8 и 9 при удалении от источника по нормали к угольному пласту имеет ярко выраженное деление на две составляющих - низкочастотную и высокочастотную. Для Х - компоненты низкочастотная составляющая находится в диапазоне 250400 гц, высокочастотная 400-650 гц. При удалении от источника во вмещающие породы на 7,5 м высокочастотная составляющая практически исчезает. Для У - компоненты также наблюдается разделение на низко и высокочастотную составляющие, однако их количественные характеристики отличаются от Х - компоненты. Высокочастотная часть спектра ведет себя более стабильно.

Расчеты выполненные для модели с горной выработкой протяженностью порядка 4 м представлены на рис. 8, 9 и 10.

Рис. 11. Временной срез колебательного процесса в

РнсккОстржтт еЖо ’щреатпринрез пттрная партит гттйеткртщютты! лроттееКшо--нтьнвммбщкРкОтоот; т^ущшпотот проця-

женностью 4 м: а) Х компонента; б) У компонента

Качественно колебательный процесс (рис. 8) и спектральный состав (рис. 9 и 10) похожи с предыдущими результатами. Количественно Х - компонента по амплитуде в 6 раз слабее для выработки протяженностью 4 м. Амплитуды анализируемых моделей для У - компоненты соизмеримы.

При введении в модель трещиноватой зоны вокруг выработки с коэффициентом затухания

= 0,03 1/м полностью устраняется эффект концентрации колебательного процесса вблизи свободных границ выработки. Это наглядно просматривается на рис. 11 а,б, как для У-компоненты, так и для Х - компоненты. Амплитуда колебательного процесса в 3-5 раз меньше, чем на удалении 30-40 м от источника, что свидетельствует об удалении волнового поля от горной выработки по угольному пласту к границе модели.

Спектры колебательного процесса Х и У -компонент (рис. 12, 13) качественно повторяют форму спектров для предыдущих двух моделей

Однако соотношение высоко и низкочастотных составляющих более понятно и объяснимо с точки зрения физических закономерностей процесса. По мере удаления от источника по нормали к угольному пласту высокочастот-

Рис. 9. Спектральный состав Х компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

Частота,гц

Рис. 10. Спектральный состав У компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

ная составляющая ослабевает и на расстоянии

7,5 м становится на порядок ниже низкочастотной.

Выводы.

1. Предложенный методический подход позволяет провести анализ акусто-вибрационных колебательных процессов вокруг горных выработок.

2. Выполненные расчеты дают возможность понять механизмы формирования колебательных процессов вокруг горных выработок.

3. Влияние горной выработки на Х и У -компоненты колебательного процесса различно:

- колебательный процесс Х - компоненты в большей мере концентрируется вокруг выработки. Проявляются резонансные колебания. Мощность этих колебаний зависит от протяженности горной выработки и параметров трещиноватой зоны;

- колебательный процесс У - компоненты более устойчив. Резонансных колебаний не наблюдается, однако концентрация колебательного процесса вокруг горной выработки присутствует.

4. Для Х и У - компонент колебательного процесса горная выработка является своеобразным техногенным фильтром, разделяющим амплитудно-частотный спектр на две составляющие - высокочастотную и низкочастотную, что подтверждают экспериментальные исследования, выполненные впервые Мирером.

5. Наличие трещиноватой зоны вокруг выработки позволяет существенно снизить про-

Частота. г и

Рис. 1е. Спектральный состав Х компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

Частота, ги

Рис. 13. Спектральный состав У компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

цессы раскачки горных пород в зоне ее влияния.

— Коротко об авторах

Захаров В.Н., Гуляев П.Н., Харченко А.В. - ИПКОН РАН, г. Москва.

■V---------

© В.В. Туманов, Я.М. Юфа, А. С. Трифонов, А.И. Архипенко, Ю.А. Балакин, 2005

УДК 622.8:550.3