CC BY
83
----------------------------------------- © Л.И. Беляева, А.П. Скакун,
С.Н. Мулев, 2009
УДК 550.34 + 622.831
Л.И. Беляева, А.П. Скакун, С.Н. Мулев
МЕТОДИКА ПРОГНОЗА УДАРООПАСНОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА В СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПОЛЯ ШАХТЫ «КОМСОМОЛЬСКАЯ.»
Разработанная методика прогноза предназначена для использования на шахтах ОАО «Воркутауголь» Воркутского угольного месторождения в соответствии с требованиями «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».
Ключевые слова: система GITS, карты сейсмической активности, зоны активации гео-механических процессов, прогнозный параметр удароопасности.
Семинар № 2
L.I. Belyaeva, A. P. Skakun,
S.N. Mulev
THE TECHNIQUE OF FORECASTING THE BUMP HAZARDOUS STATE OF ROCK MASS AT SEISMOLOGICAL CONDITIONS OF “KOMSOMOLSKAYA " MINE FIELD
The technique of the forecast intended for use on mines of Open Stock Company "Vorkutacoal" of the Vorkutskiy deposit according to requirements «Instructions on safe conducting mountain works on the mines developing coal layers, inclined to rock bursts is described.
Key words: GITS system, seismic activity map, zone of activation of the geomechanical processes, forecast parameter of bump hazard.
Лоложительные результаты двух-л етней работы аппаратурнопрограммного комплекса «GITS», установленного ша шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» ФЗАО «Север-сталь-Ресурс», позволили разработать совместно с ОАО ВНИМИ (г. С-Петербург) «Методику прогноза удароопасного состояния массива в сейсмо-геологических условиях поля шахты «Комсомольская», в состав которой вошел полный пакет нормативно-
инструктивных документов, утвержден-
ных в территориальных надзорных органа Ростехнадзора РФ [5]:
• технические требования к системам контроля;
• описание сейсмической сети;
• методику обработки и интерпретации сейсмических событий;
• методику построения карт зон активации геомеханических процессов по данным сейсмической активности;
• методические подходы к прогнозу удароопасности;
• описание критериев удароопас-ности;
• регламент взаимодействия с техническими службами шахты;
• общие принципы оценки эффективности прогноза.
Функциональное назначение аппаратурно-программного комплекса «GITS» заключается в следующем:
• непрерывная регистрация и последующая обработка сейсмических сигналов, зарегистрированных в пределах шахтных полей;
• оценка энергии и координат сейсмических событий, возникающих в контролируемом массиве горных пород;
• оценка и районирование шахтных полей по сейсмической активности;
• выделение зон активации геоме-ханических процессов в пределах сейсмической сети;
• прогноз перехода участков горного углевмещающего массива в удароопасное состояние;
• оценка эффективности разгрузочных мероприятий;
• накопление базы данных сейсмических событий.
Весь аппаратурный комплекс «GITS» регистрирует сейсмические сигналы в диапазоне частот 0.1-800 Гц, энергетический спектр которых лежит и пределах от 102 Дж до 106 Дж. Чувствительность системы позволяет также перекрыть 4 -5 порядков по энергиям регистрируемых событий. Это условие необходимо для того, чтобы в рамках отдельной подсистемы была возможность осуществлять прогноз наиболее сильных сейсмических событий из данного энергетического диапазона, для чего и создается банк данных (каталог) сейсмических событий, которые на 3-4 порядка ниже по энергии, чем прогнозируемые [1].
Кроме каталога сейсмических событий система имеет адаптированную базу данных по горно-технической обстановке в шахте. В базу входит: геологическая информация (планы горных работ, разрезы, данные физико-механических свойств вмещающих горных пород), элементы технологии ведения горных работ (проходческих и очистных), о взрывных работах и профилактических мероприятиях, а также результаты оценки напряженного состояния массива локальными геофизическими и инструментальными методами т.п. Все данные используются при комплексном анализе и прогнозе горно-технической обстановки, планирования и контроля эффективности применяемых профилактиче-
ских мероприятий, а также для выработки стратегии ведения горных работ с целью повышения их безопасности [3].
Выходным документом обрабатывающего комплекса GITS являются прогнозные «Карты зон активации геомеха-нических процессов шахтного поля», на которых представлены сейсмоопасные зоны, увязанные по координатам X,Y,Z с планами горных работ и геологическими разрезами. При этом используют данные о сейсмической активности за определенный интервал наблюдений, предшествующий прогнозируемому периоду.
Построение сети системы GITS на шахте «Комсомольская» осуществлено с учетом реальной чувствительности каждого сейсмического датчика (пункта). Под реальной чувствительностью сейсмического датчика принимается радиус сферы (Rs), в пределах которой данный датчик регистрирует событие заданной энергии. Условием уверенного определения момента первого вступления считаем трехкратное превышение амплитуды сигнала над амплитудой помехи: Асиг > 3Апом. Радиус реальной чувствительности определен по эмпирической формуле:
Rs < 332 • Щ., м, (1)
где Е - сейсмическая энергия события в Дж, а - амплитуда помехи в 10-7м/с. Rs составляет величину порядка 500 м для сейсмических событий 102 Дж.
Пункты регистрации сети оборудованы в доступных подземных горных выработках, при условии перекрытия радиусов реальной чувствительности минимум от четырех пунктов и максимально возможном разносе точек по координатам X, Y и Z для наилучшего окружения контролируемой области.
Регистрация сейсмических событий производится путем непрерывного мо-
ниторинга системой программного комплекса, состоящего из сети подземных и поверхностных пунктов регистрации (нижний уровень комплекса) и приемнообрабатывающей части (верхний уровень). Сеть из 12 точек регистрации (сейсмических пунктов) обеспечивает уверенное определение координат и сейсмической энергии явлений (толчков, микроударов, горных ударов, технологических взрывов) от 102Дж и выше. Вычисление координат сейсмического явления производится по временам первых вступлений прямых продольных волн, определенных с точностью не менее 1-2 мс, минимум на 4-х точках регистрации при условии хорошего окружения очага данными точками двумя взаимоконтролирующими способами [2].
Для расчета координат, в контролируемом массиве горных пород, установлены скорости упругих волн: 4600-5400 м/с, полученных по годографам преломленных волн от проведенных ранее шахтных сейсморазведочных работ.
Погрешность определения координат при использовании средней скорости во внутренних точках сети составляет порядка ± 10.0 м по трем компонентам сейсмического датчика. При этом учитываются и реальные размеры очага сейсмического события.
Для оценки размера очага при различных его формах применены следующие эмпирические формулы:
г = 1.85Ес 0185, м (сфера);
Ь = 2.9Ес 021 , м (плоскость), (2)
Ж = 2.0Ес 021, м (плоскость),
где Ес - сейсмическая энергия события, г - радиус сферы, охватывающий зону неупругих деформаций, Ь - длина разрыва, V - ширина разрыва.
Энергетической характеристикой события является сейсмическая энергия или та часть полной энергии очага, которая приходится на образование упругих колебаний и их распространение в массиве горных пород. Для шахтных условий она не превышает первых процентов от полной энергии и, чем больше энергия, тем выше доля сейсмической энергии. Для вычисления сейсмической энергии (прямой расчет) используется формула:
Ес=2*л2 ура2/тг+!УЛт*2 Дж
(3)
где Я - гипоцентральное расстояние, м; р - плотность среды; V],, V.; - скорости продольной и поперечной волны, м/с; Ар, А. - амплитуды скорости колебаний в продольной и поперечной волнах, м/с; тр,т. - длительность цуга колебаний в продольной и поперечной волнах, сек.
В результате прямого расчета энергии по большому числу сейсмических явлений получена корреляционная зависимость величины сейсмической энергии от длительности записи:
^ Ес = А + В lgт, (4)
где т - полная длительность записи по сейсмограмме.
Для условий шахты «Комсомольская», коэффициенты А и В соответственно равны 2.21 и 2.70.
Разброс отдельных измерений от данной зависимости не превышает 0,5 порядка, что вполне допустимо при шахтных сейсмических измерениях.
Расчеты энергии по формуле (4), сделанные в ОАО ВНИМИ, показали их хорошую сходимость с результатами определений по зависимости (3), которая и применяется при расчете сейсмической энергии событий по длительности сигнала, определяющейся по всем установленным сейсмопунктам сети. Экстремальные значения в тах или тт диапазоне - вы-
браковываются. По остальным вычисленным значениям Ес считается среднее арифметическое с последующим расчетом полной энергия зарегистрированного сейсмического события [ 2].
По результатам сейсмических мониторинговых наблюдений на шахте «Комсомольская» установлены закономерности группирования сейсмических событий по координатам их очага в пределах одинаковых элементов шахтного поля с характерным размером Ь и классам энергии от Етт до Е1. По закономерностям группирования за период Тг с определенной периодичностью строятся:
- раз в сутки - «Карта плотности сейсмических событий» по энергии (рис. 2, а);
- каждые 15 дней - «Карта зон активации геомеханических процессов участков шахтного поля» с зонами повышенной активности и изменения критерия удароопасности массива параметра Е (рис. 1, б). Критическим энергетическим порогом сейсмического события, определяющим удароопасность массива принято зарегистрированное сейсмическое событие с Е > 35,0кДж. Для контроля состояния зон активации геомеха-нических процессов во времени, ежесуточно оцениваются параметры распределения событий по уровням энергии N = I (Е1) по строящимся графикам за предшествующий моменту оценки период времени Т (рис.3). Для участков шахтного поля с малым количеством событий в блоке за период Т,, где оценка параметра Е ненадежна, но есть события с большой Е, используется способ оценки формирования зоны напряженного состояния на основе частости событий N в классах по Е, с показателем избыточности Еа в рамках одного класса.
Построение «Карты зон активации геомеханических процессов» заключается в следующем:
- в кубе с линейными размерами 120х120х120 м подсчитывают параметры сейсмической активности (XN - количество сейсмических событий, XЕ -суммарная энергия событий и др.) и относят к центру куба;
- последовательно смещая этот куб с шагом 30 м по всей контролируемой площади, получают значения по соответствующей сетке;
- проводят изолинии сейсмической активности, осуществляя интерполяцию при вычислении промежуточных значений.
«Карты зон активации геомеханиче-ских процессов участков шахтного поля» строят в плоскости разрабатываемых шахтой угольных пластов в координатах ХУ, и при необходимости, по УХ и XX (на геологических разрезах в крест и по простиранию угольной толщи).
Для шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» применяется методика построения «Карты зон активации геомеханических процессов» по параметру Е (коэффициенту удароопасности), определенному для различных участков массива шахтного поля [2, 4]:
14 14
Р = 1 Р кк =Х Р к/15
к=0 к=0
Рк = Nk + °к , (5)
=Ел/Е“/^ *Ел/Е“/22,4 где - сумма деформаций (корней из энергии), отнесенных к деформации события с энергией 500 Дж, за к-й день; N
- количество сейсмических событий за к-й день; Ек = Nk + Бк - суммарное значение показателя Е за к-й день; Е - итоговый показатель за 15 дней, предшествующих дню составления прогноза.
В алгоритме построения изолиний количество дней п, предшествующих
дню составления прогноза, задаётся от 3 и до 15. Бк для каждого предшествующего дня умножается на коэффициент влияния - к/п, т.е. чем дальше событие от дня прогноза, тем меньше его влияние [4].
Участок массива шахтного поля покрывается квадратами со сторонами по 120 м (для поля шахты «Комсомольская», что связано с длиной лав) и со смещением в % длины стороны по обеим осям. Для каждого квадрата вычисляется своё значение Б и берутся координаты центра квадрата. По полученной сетке строятся изолинии.
На основании полученных значений параметра Б, а также наличия крупных сейсмических событий, участки шахтного поля классифицируются по следующим уровням сейсмоактивности.
Уровень 0 (фоновый уровень) - за 15 дней в блоке не произошло крупных сейсмических событий, Е < 10.
Уровень 1 - значение Е < 100 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 1 000 Дж.
Уровень 2 - Значение Б находится в диапазоне от 100 до 200 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 5000 Дж.
Уровень 3 - Значение Б находится в диапазоне от 200 до 400 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 10 000 Дж.
Уровень 4 - Значение Б находится в диапазоне от 400 до 800 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 15 000 Дж.
Уровень 5 - Значение Б находится в диапазоне от 800 до 1000 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 30 000 Дж.
Уровень 6 - Значение Е превышает 1000 или внутри блока зарегистрированы события с энергией Е > 35 000 Дж.
Градация по шести уровням сейсмической активности заложена для
обеспечения более точного и наглядного представления на «Карте прогноза зон активации геомеханических процессов» местоположения границ и энергетических центров сейсмоактивных и напряженных (удароопасных) зон в пределах шахтного поля.
По состоянию на момент окончания промышленных испытаний уровни: 2,3 соответствовали оценке «напряженно», но не опасно», а уровни 4,5 - «опасно», 6-«сверхопасно».
Положение изолиний выносят на планы горных работ в виде «Карты зон активации геомеханических процессов участков шахтного поля» раздельно по разрабатываемым пластам (рис. 1 а, б).
В разработанной «Методике прогноза удароопасности состояния массива...» в качестве критерия прогноза удароопасного состяния массива представлен также и коэффициент регрессии В, рассчитываемый путем построения кумулятивной зависимости количества событий Nk от энергетического класса Е,, происшедших в установленном объеме (120х120х120) за выбранный период времен.
По совокупности полученных пар значений (N^1, Еср) рассчитывают коэффициент В (тангенс угла наклона) по формулам метода наименьших квадратов для степенной функции (У= N.о*ХВ). Расчетные значения выводятся на конечную дату.
б)
Карта зон активации геомеха-нических процессов участков шахтного поля по горизонтам пластов: п 14+13+12 и п п (а) и в плане лав поля шахты (б)
Выводы:
1. Основными параметрами комплексного анализа сейсмической информации, накопленной сейсмостанцией на базе системы GITS шахты «Комсомольская», с целью выбора критериев удароопасного состояния массива и разработки «Методики прогноза удароопасного состояния массива... » являются:
• уровень сейсмической активности ^N - число сейсмических явлений, происходящих за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;
• уровень сейсмической энергии YE - количество выделившейся энергии за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород;
• пространственновременное распределение зон сейсмической активности;
• изменение максималь-
ной плотности сейсмических событий во времени;
• градиент нарастания
количества сейсмических событий;
• градиент нарастания
суммарной энергии;
• активность Nc - число событий за 15-ти дневный период наблюдений и регистрации событий;
2. На основе «Методики прогноза удароопасного состояния массива в сейсмогеологических условиях поля шахты «Комсомольская» разработаны и утверждены территориальными органами Ростехнадзора РФ: «Критерии уда-роопасности массива применительно к
1. Яковлев Д.В., Исаев Ю.С., Мулев С.Н. и др. «Аппаратно-программный комплекс «GejInfo Trans Sistem (GITS) в системах геодинамического и экологического мониторинга», Междун.конф. «Горная геофизика», 22-25 июня 1998 г. С-Пб, ВНИМИ.
2. Ломакин В.С., Мулев С.Н., Скакун А.П., Цирель С.В., Беляева Л.И., Лопатков Д.Г., Каплуненко А.К. Методика прогноза удароопасного состояния массива, г. С- Пб, ОАО ВНИМИ, 2007.
3. Мендецки А. и др. Плановый сейсмологический мониторинг на горнодобывающих
сейсмогеологическим условиям поля шахты «Комсомольская», «Положение о службе геодинамических наблюдений ОАО «Воркутауголь» и «Регламент взаимодействия сейсмостанции с техническим руководством угледобывающего предприятия».
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
предприятиях, Горный институт УРО РАН, май 2007 г.
4. Ломакин В.С. Региональный прогноз удароопасности на основе сейсмологических исследований. Дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Л.; ОАО ВНИМИД984 г.
5. Нормативные документы по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам. ВДВ
— Коротко об авторах
Беляева Л.И. - главный геофизик-начальник сейсмостанции технической дирекции ФЗАО «Северсталь-Ресурс» в г. Воркута, Ы.Ве1уаеуа@уогки1а.8еуеге1а^гоир.сот,
Скакун А.П. - заведующий лаботаторией геофизических исследований ОАО ВНИМИ, [email protected],
Мулев С.Н. - заведующий сектором геофизического мониторинга ВНИМИ, г. С-Петербург, [email protected],
А
------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Харламов В.Е., Крылов К. С., Чугунов А.А. Оценка ремонтопригодности тракторов (723/12-09 от 23.09.09 г.) 5 с.
Рассмотрены варианты оценки ремонтопригодности тракторов с учетом различных эксплуатационных факторов.
Ключевые слова: трактор, ремонтопригодность эксплуатация, техническое обслуживание. Kharlamov V. E, Krylov K.S., Chugunov A.A. Estimation of maintainability of tractors Variants of an estimation of maintainability of tractors taking into account various ekspluata-tsionnyh factors are considered.
Key words: a tractor, maintainability operation, maintenance service.
