CC BY
73
2. Korn M., Stocl H. Reflection and Transmission of Love channel Waves at Coal Seam Discontinuitis Computed with A Finite-Difference Method. -J. Gejphis.,1982,50. p. 171-176.
3. Глухов A.A., Захаров В.Н., Рубан А.Д. Моделирование волнового поля в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей/Горный вестник, М.: ИГД Скочинского, 1994, С.16-18
4. Анциферов А.В. Моделирование волнового поля в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей/Збірник наукових праць №5 ‘Проблеми гірського тиску” 2001. - С.5-15.
5. Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки.- Донецк: изд. «Алан», 2002, - 312 с.
6. Бреховских Л. М. Распространение волн в
слоистых средах. - М.: Наука, 1973.
7. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Исследование зон повышенного горного давления (ПГД) в углепородных массивах сейсмоакустическим методом // Механика горных пород: Науч. Сообщ./ ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, - М. - 1999. - Вып. 313. - С. 39-48.
8. Захаров В.Н., Харченко А.В. Влияние
слоистого строения пород почвы и кровли на структуру полного волнового поля и параметры отдельных типов волн// Науч. сообщ. /ННЦ ГП-ИГД
им. А.А. Скочинского. - М., 2002. - Вып. 321. - С.108-121.
9. Захаров В. Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. - М.: ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 172 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Тиркель Михаил Годелевич — кандидат технических наук, зам. директора по научной работе, Украинский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ НАН Украины), г. Донецк, Украина.
-------------------------------------------------- © С. Мазеин, Г. Стафеев,
2005
УДК 550.3:534.8.002.56:622.014.2:658.513.011.56:681.3 С. Мазеин, Г. Стафеев
РАБОТА СИСТЕМЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ НА ТПМКДИАМЕТРОМ 14,2 м
Семинар № 2
Общие положения
Я а технологическиом проходческо-механическом комплексе (ТПМК) фирмы «Herrenknecht AG» (Германия), работавшем на проходке Лефортовского тоннеля в Москве, установлена система геофизического прогноза SSP 202, название которой является сокращением от Sonic Softground Probing (звуковое зондирование рыхлых грунтов). Данная система использует метод измерений, который был разработан для геофизического прогноза тоннельной проходки ТПМК при бентонитовом пригрузе забоя. Комплекс установлен на самой большой проходческой машине диаметром 14,2 м.
Целью прогноза служит предварительная информация об инородных включениях в грунте (сваи, полости и т.д.), об изменениях характера грунта при проходке. Все эти факторы могут стать потенциальным источником опасности для земной поверхности и для ТПМК, при-
водящим к дорогостоящему ремонту или простоям.
Основная задача измерительной системы ББР 202 - локализация контрастов плотности пород с удалением от ротора до 40 м. Возможные распознаваемые неоднородности массива -это, к примеру, большие гранитные валуны в рыхлой почве или резкая смена геологических формаций.
Систему ББР можно дополнительно рассматривать и как инструмент, который позволяет с высокой разрешающей способностью предварительно уточнять геологию места проходки. Для геологической интерпретации результатов акустических измерений необходима дополнительная информация о характере контраста.
Источником информации служат:- предварительные геотехнические исследования (геологические разрезы и результаты испытаний образцов пород),- данные с проходческой машины (показатели режима проходки),- искусственно созданные массивы с разной плотно-
стью, такие как инъекционные блоки (упрочненный грунт),- добытая из-под земли порода, которой может быть дана оценка на сепараци-онной установке (фракционный состав и результаты испытания образцов).
Система ББР 202 является акустическим способом разведки для получения с ротора ТПМК информации о рыхлой горной породе в процессе проходки.
Важными характеристиками системы являются: - непрерывное, сопровождающее проходку измерение,- автоматизированная обработка геофизических данных,- общедоступное отображение данных на ТПМК.
Устройство и принцип работы геофизической системы
На луче №4 ротора на расстоянии 5,75 м от оси ТПМК установлен акустический передатчик мощностью до 1 кВт, представляющий собой цилиндрическую капсулу диаметром 600 мм с мембраной. Электрический сигнал поступает на передатчик, а также туда поступает сжатый воздух для охлаждения и выравнивания давления по обе стороны мембраны. В течение 1 секунды через интервал приблизительно 10 секунд передатчик излучает сигнал, закодированный в определенной частоте (от 500 до 5000 Гц), который отражается и рассевается от неоднородности. При этом с помощью компьютерной системы регистрации параметров ТПМК определяется положение передатчика во время вращения ротора. Отраженные обратно звуковые волны регистрируются четырьмя приемными динамическими датчиками также в виде мембранных цилиндрических капсул, которые находятся на противоположных лучах ротора, на одной прямой с передатчиком (расстояние от оси ТПМК - 2,37 м,
3,61 м, 4,85 м, 5,78 м соответственно).
С помощью кодировки частоты полезный сигнал методом распознавания и корреляции отделяется от общего шума ротора, т. к. принимаемый сигнал на порядок выше фона акустических помех от разрушения породы. Контакт всех датчиков с породным массивом может осуществляться только через бентонитовую суспензию, которой заполнена забойная камера.
Техническое устройство ББР состоит из частей, которые закре-
плены на роторе ТПМК (Schneidrad), и из системы сбора и обработки данных, которая установлена в контейнере (SSP-Container) на 1 технологической платформе ТПМК. Между обеими системами существует электросвязь через поворотно-пропускной узел (Schleifring), через который также подается сжатый воздух на акустические датчики.
Для точного определения координат отражения сигнала дополнительно регистрируется положение мембраны передатчика. Все принимаемые сигналы на роторе переводятся преобразователем, расположенным на роторе, в цифровой код и передаются через поворотнопропускное устройство на систему сбора и обработки данных (Backup).
Эта система (Backup) служит:- для регулировки частоты и амплитуды сигнала передающего устройства,- для приема данных от преобразователя, - для оценки и визуализации результатов измерения.
Для этих задач используются 3 связанных друг с другом персональных компьютера (ПК). На первый ПК возложена задача по регулировке процесса измерения и правильной расстановке геометрических данных, поступающих с пульта управления ТПМК.
Второй ПК предусмотрен исключительно для обработки геофизических данных, которая охватывает около 60 стандартных программ:-обработка алгоритмов фильтра помех, - отделение прямых и отраженных волн, - анализ скоростей распространения звука и трехмерного распределения для изображения правильного положения зон отражения.
Внешний (третий) ПК отображает результаты измерения. Интуитивно обслуживаемый
процессор Windows Software позволяет начальнику смены без специальных геофизических знаний подготовить интересующие его данные в графической форме и документировать измерения.
Математическая обработка и визуализация результатов измерений
С помощью последующего анализа частот звука, фиксирования координат отражающего звук объекта (рефлектора), рассчитываемых по ориентации ротора и измеренному времени прохождения сигнала от передатчика к каждому приемнику, получают распределение амплитуды отраженного сигнала в пространстве. В качестве компьютерной обработки результатов измерения получают трехмерное цветное изображение, которое очерчивает относительные границы между участками пространства с высокой и низкой энергией отражения (рис. 1).
Результат замера состоит из отрицательных и положительных чисел в прямоугольном параллелепипеде с длиной граней 20 м х 20 м х 40 м. Каждый отдельный параметр отражаемой энергии (из 2 млн. измеренных параметров) заключен в цветной куб с длиной грани 0,2 м. Ротор находится на левой стороне торцевой части, пикет которого присваивается имени файла с изображением. Левая, параллельная ротору поверхность располагается на расстоянии 40 м от ротора. Через центры этих поверхностей проходит ось ТПМК.
Интерактивно управляемое математическое обеспечение визуализации служит самому лучшему трехмерному изображению цифр замера. Возможно изображение изолиний на горизонтальных, вертикальных и параллельных уровнях по отношению к ротору, а также возможно получить изображение свободно поворачивающейся трехплоскостной позиции с заданием различных диапазонов величин, получающих различную окраску. К тому же есть возможность вынуть виртуальный буровой керн, а также узнать статистическое распределение всех замеренных величин во всем объеме параллелепипеда (минимальное, максимальное и пиковое значения кривой Гаусса, величина девиации).
Производительность и разрешающая способность
Предпосылкой для определения неоднородности является контраст по акустическому сопротивлению (плотность х скорость звука = импеданс) граничащих друг с другом сред. Достаточно высокий контраст между рыхлой
горной породой и зондируемым сплошным массивом является предпосылкой тому, чтобы могли возникать отражения звуковых волн. Порог чувствительности системы ББР составляет более 20 % разности импедансов двух контактирующих сред.
Звуковая энергия, которая отражается от границы слоев, может регистрироваться приемниками на роторе, если только позволяет направление падения волн. Проблематично распознать плоские включения на крайних участках тоннельного сечения при малых углах падения волн.
Точность передачи координат места для отражающих участков пространства зависит главным образом от используемых в сигнале частот, скорости звука и удаления по отношению передатчику.
Для возникновения отраженных волн наряду с контрастом звуковой жесткости необходим также минимальный размер неоднородности, сопоставимый с величиной самой малой длины волны. Это определяет также разрешающую способность определения координат в направлении оси тоннеля, минимальное разрешение не должно превышать 1 м на расстоянии 25 м от рефлектора до ротора.
Из-за зависимых от частоты звука свойств поглощения волн максимальная разрешающая способность считается только вблизи передатчика звука (0,5 м). На большем удалении нужно исходить из более низкой разрешающей способности самых длинных используемых волн.
При проходке ТПМК под Эльбой диапазон изменения скорости прохождения волн составлял от 1750 до 2000 м/сек (12%). Проходка в Лефортово велась на основном участке в многослойном массиве параллельно слоям глины и известняка, попадающих в сечение тоннеля в соотношении 1:1. Диапазон измеренных на образцах скоростей прохождения звука только в одном водонасыщенном известняке находится в пределах 16% и составляет от 2600 до 3100 м/сек, что раза в 1,5-2 больше, чем в глине. Все это создает трудности в определении точных координат неоднородности, расположенной в разных по акустической жесткости слоях. При этом разность импедансов различных образцов известняка достигает 26%, а известняка и глины - значительно больше, что вызывает устойчивую регистрацию контрастов из-за интенсивного поглощения или отражения.
Разрешающая способность горизонтально к направлению падения волны звука определяется центральной зоной Френеля в зависимости от частоты звука и удаления от передатчика. Эта зона описывает участок пространства, в котором соседние элементарные волны могут еще влиять друг на друга, снижая разрешающую способность распознавания слоев, почти параллельных проходке. При частоте звука 1,8 кГц эта зона составляет: для расстояния до ротора 10 м - 2,4 м, для 30 м - 4 м.
Эксплуатация системы ББР в Лефортово была осложнена высокой абразивностью и адгезией пород, неполным пригрузом бентонита в забое, частыми отключениями электроэнергии, нарушением герметичности поворотно-пропускного узла, высокими темпами проходки при отсутствии времени на замену вышедшего из строя передатчика. Полученные результаты В процессе проходки Лефортовского тоннеля были прозондированы и исследованы следующие интервалы трассы тоннеля, сравнива-
Быдача песка фракции -6мм, т/кольцо
4. 4
5. 5
6. 6
7. 7
8. 8
9. 9
Рис. 3. Трехмерное волновое изображение массива с неоднородностью вверху (нижний конец железобетонной сваи диаметром 1,5 м в пласте глины), расположенной на расстоянии 33 и 15,8 м от ротора
лись показатели проходки и сепарации грунта со среднестатистическими звуковыми характеристиками массива:
1. 234-272 м (длина 38 м)
2. 2. 642-680 м (длина 38 м)
3. 3. 720-758 м (длина 38 м)
Рис. 2
. 1020-1112 м (длина 92 м)
. 1120-1206 м (длина 86 м)
. 1234-1318 м (длина 84 м)
. 1354-1454 м (длина 100 м)
. 1518-1640 м (длина 122 м)
. 1678-1812 м (длина 134 м)
Всего: 676 м
Статистические данные результатов измерений
Прослеживается прямая зависимость: чем меньше среднее минимальное значение энергии отражения, тем большее количество песка отделяется на сепараторной установке (при снижении доли глинистых частиц). То есть наименьшей энергией отражения звука обладают пески крупностью до 6 мм.
Прямолинейной зависимости скорости проходки от энергии отражения волн в массиве не обнаружено, поскольку скорость в большей степени зависит от технологических параметров (состояния режущего инструмента, давления домкратов и т.д.).
Обнаружение неоднородностей
По трассе тоннеля значительных препятствий в виде природных включений не обнаружено. На ПК 1747,2 выше границы тоннеля на 1 м был обнаружен нижний конец железобетонной сваи диаметром 1,5 м. Положение сваи отслеживалось зондирова-нием при приближении к ней, что позволило убедиться по компьютеру (рис.3.) в отсутствии препятствия и в безопасности проходки.
Выводы
1. Система ББР показала свою работоспособность в экстремальных для такой чувствительной техники условиях: - перебои в подаче электроэнергии,- частичный пригруз бентонитом забоя и неполный контакт датчиков с грунтом,- сложная геология, представленная абразивными породами,- отсутствие времени на обслуживание датчиков в забое.
2. Системой прозондировано и отслежено около 1/3 длины трассы тоннеля, в том числе
на самом опасном участке в районе свай за рекой Яуза.
3. Зондирование позволяет обнаруживать неоднородности с большой разницей акустической плотности, например границы «железобетон-глина» и «известняк-глина».
4. Зондирование позволяет с большой вероятностью предсказать долю песковой фракции на сепараторной по величине наименьшего значения энергии отражения звука от включений.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Мазеин Сергей - сервисный менеджер ЗАО "Herrenknecht tunneling".
Стафеев Геннадий - главный маркшейдер ООО "Трансстройтоннель".
— © Н. А. Бритков, Л.Н. Семенова,'
М.Д. Ефремова, 2005
УДК 622.8З
Н.А. Бритков, Л.Н. Семенова, М.Д. Ефремова
МЕТОДИКА ТАРИРОВКИ СКВАЖИННОГО ЗОНДА СЭМИ-1*
Семинар № 2
последние годы при геофизических и геомеханических исследованиях находит применение метод электромагнитного излучения массива деформируемых горных пород (ЭМИ), позволяющий получать информацию о напряженном состоянии массива и прогнозировать опасность динамических проявлений при отработке удароопасных месторождений [1, 2]. Для регистрации электромагнитного излучения в ряде организаций [3] разработаны приборы, обеспечивающие измерение напряженности электромагнитного поля Е в подземных горных выработках.
Электромагнитное излучение горных пород, открытое в конце прошлого столетия, нашло применение в сейсмологии для прогноза землетрясений [4] и горном деле для контроля и прогноза удароопасности приконтурных зон горных выработок
Вместе с тем, при ведении горных работ практически на всех рудниках и шахтах в технологических целях пробуривается значительное количество скважин диаметром 75-150 мм
и длиной 2-50 м. Они служат для снижения удароопасности и механических напряжений в массиве, а также для целей дегазации на угольных шахтах. Такие скважины, однажды пробуренные в бортах горных выработок для конкретных целей, затем зачастую не используются. В связи с расширением области применения метода ЭМИ возможно повторное использование таких скважин для исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его удароопасности.
На эффекте электромагнитного излучения горных пород разработан целый ряд приборов, позволяющих вести наблюдения за горным
Рис. 1. Скважинный электромагнитный зонд СЭМИ-1
давлением и давать прогноз горных ударов и
* Работа выполнена при поддержке гранта «Интеграционный проект № 129 СО РАН», а также гранта по научной школе академика М. В. Курлени.
