CC BY
28
© М.Л. Молев, В.А. Матвеев, 2003
УЛК 622.83
МЛ. Молев, В.А. Матвеев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОЛА ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ ИНТРОСКОПИИ ЛЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ЛАВЛЕНИЯ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ*
Слоистость геологической толщи, слагающей горный массив, играет значительную роль в формировании геомеханических условий отработки угольных пластов подземным способом. От структуры кровли угольного пласта, количества слоев, их мощности и физико-механических свойств горных пород существенным образом зависит динамика геомеханических процессов.
В модели геомеханических процессов в кровле угольного пласта при движении очистного забоя, которая представлена в работах [1, 2], показано, что дискретно-динамическая компонента проявлений горного давления, которая является превалирующей в общей картине поведения кровли в очистном забое и определяющей ее динамику, формируется в зависимости от эффекта подбучивания обрушенными породами вышележащих слоев. Амплитуда смещения блоков кровли У-го слоя, которые передают нагрузку от своего веса на крепь, определяется высотой свободного их опускания у - чем больше эта высота, тем большая нагрузка будет передаваться во взаимодействии с крепью. В сокращении этой высоты по мере развития обрушения вверх главную роль играет коэффициент разрыхления обрушающихся пород, который зависит, прежде всего, от фактора свободы обрушения - отношения свободной высоты падения к мощности об-рушающегося слоя у/Ь [2]. Данная зависимость показывает, что чем более тонкими слоями будет представлена структура кровли, тем с большим коэффициентом
разрыхления будет обрушаться каждый слой и наоборот. Этим объясняется более быстрое под-бучивание вышележащих пород и небольшая высота активной кровли, которая передает нагрузки на крепь, если структура кровли представлена тонкими слоями. Такие кровли являются легкими по нагрузочным способностям. Наоборот, кровли с крупнослоистой структурой являются тяжелыми вследствие слабого проявления эффекта подбучивания из-за низких значений коэффициента разрыхления.
Таким образом, для корректной реализации метода расчета ожидаемых проявлений горного давления в движущемся очистном забое очень важно иметь достоверную информацию о структуре кровли в возможно большем числе точек выемочного поля. При этом желательно иметь также данные о механических характеристиках контактов между слоями, чтобы иметь представление о реальной схеме расслоения структуры кровли.
Всю эту информацию в необходимом объеме из материалов геологической разведки получить невозможно.
Перспективным направлением в решении задачи получения оперативной и достаточно представительной информации о структурах породного массива является использование геофизических методов интроскопии. Сравнительно нетрудоемким, оперативным и обеспечивающим приемлемую точность измерений является метод акустической резонансной дефектоскопии (АРД).
Физической предпосылкой применения АРД для оценки по-
род кровли угольного пласта является возникновение резонансных колебаний как в отдельных слоях, так и в пакетах слоев, залегающих между свободной поверхностью и поверхностями межслоевых контактов при ударном их возбуждении. В горном массиве возникают так называемые “стоячие” волны.
При этом в спектре регистрируемых резонансных частот присутствуют как частоты отдельных слоев, так и пачек слоев Ик от свободной поверхности до к-го контакта. Путем экспериментальных исследований установлено, что амплитуды резонансных частот, соответствующих размерам таких пачек, существенно превышают уровень соседних частот и выделяются спектральным анализом. Объясняется это, очевидно, тем, что нижняя отражательная поверхность для акустических волн в пределах пачки - это поверхность раздела двух сред, породы и воздуха, с резко различными акустическими характеристиками, что приближает ее к идеальной. Основные принципы методики использования АРД для изучения структур кровель угольных пластов приведены в [3]. Суть их кратко сводится к следующему [рис. 1].
Частота резонансного отклика пачки горных пород от нижней свободной поверхности до
к -того межслоевого контакта определяется по формуле
А
V,
рез.к
ср
2Ик
откуда расстояние до межслоевого контакта:
Нк =-
V
ср
2 /рез.к
где Уср- средняя скорость продольных волн.
Обоснованность применения акустической резонансной дефектоскопии в общей системе геомеханических исследований была подтверждена результатами опытно-методических работ, проведенных на 160 участках
горных выработок 35 шахт восточной части Донбасса. Типичная спектрограмма, отражающая
расположение ослабленных
межслоевых контактов (ОМК), показана на рис. 2.
Основные задачи проведения геоакустических спектральных исследований в рамках данной научной работы заключались в:
а) оценке возможности применения АРД при выполнении геомеханических исследований в очистных забоях;
б) выборе оптимальных параметров методики шахтной съемки;
в) совершенствовании методики интерпретации материалов с целью повышения эффективности спектральных исследований;
г) модернизации аппаратуры.
Опытно-методические работы
проводились на шахте “Садкин-ская” ОАО “Ростовуголь” в выемочном столбе лавы □ 13. Выбор данного участка определялся двумя обстоятельствами: боль-
шой скоростью подвигания очистного забоя (быстро меняющаяся геомеханическая ситуация) и удобством проведения шахтных измерений при мощности пласта 2-2,2 м.
Результаты исследований позволяют сделать ряд выводов.
Прежде всего, всесторонняя оценка полученных данных показывает, что метод АРД можно использовать для оценки слоистости пород кровли в условиях
движущегося забоя. Данное суждение основывается на изменении формы спектрограмм при последовательном выполнении измерений в процессе подвигания лавы, а также сопоставимости кривых, снятых по профилю вдоль забоя и по ходкам.
Затем на основе полученных материалов была установлена важная особенность метода АРД, которая заключается в том, что амплитуда резонансных колебаний, которая отражает качество механического сцепления отдельных слоев, существенно зависит от расстояния источник-приемник г и высоты до меж-слоевого контакта Ик. Адекватные значения амплитуды и показателя сцепления получаются при определенных соотношениях “источник - приемник” и “приемник - искомый породный слой”. Установлено, что амплитуда резонансных колебаний, возникающих при ударном воздействии на породный массив, будет максимальной при отношении расстояний “источник - приемник” и “источник - искомая поверхность механического ослабления” г/Лк, находящемся в пределах 0,33-1,33. Отсюда вытекает, что при существующем расположении породных слоев в кровле угольного пласта, один из основных параметров методики шахтных измерений - расстояние
между точкой удара и геофоном должен составлять 1,5-3 м.
Методика интерпретации результатов измерений совершенствовалась в направлении оптимизации процедур с целью повышения надежности прогноза и оперативности обработки данных. В указанном плане был выполнен анализ экспериментальных материалов и посредством методов математической статистики установлен ряд дополнительных признаков, позволяющих выделять в кровле угольный прослой. Соответствие геофизических прогнозов фактической горно-геологической ситуации было подтверждено при бурении разведочных шпуров из горных выработок в породы кровли. Также проводятся работы по составлению эталонных карт гео-механического состояния по различным шахтопластам, что ускоряет и упрощает процесс прогнозирования. Было определено оптимальное число преобразований Фурье при компьютерной отработке - 56^112 для различных шахт.
Работы по модернизации измерительной аппаратуры заключались в совершенствовании функциональных блоков и устройств. На основе анализа параметров пьезокерамических материалов был заменен приемный элемент в геофоне, что повысило его чувствительность примерно
на 20 %. Была модернизирована штанга приемного устройства, вследствие чего повысилась надежность крепления и улучшились условия съемки.
В целом выполненные работы по совершенствованию методических и аппаратурных составляющих прогнозирования методом АРД позволили сократить
общую продолжительность цикла исследований в среднем на одну рабочую смену.
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, 17-21 июня 1996 г. СПб, 1996. с .271-275.
2. Матвеев В.А. Концептуальный подход к решению задачи прогнозирования проявлений горного давления в очистном забое. (Работа выполнена при финансовой поддержке Минобразования РФ по гранту ТОО-4.1. 2753 2000 года на фундаментальные исследования по техническим нау-
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
кам). “Горный информационно-аналитический бюллетень”, № 4 2002 г. - М. Изд-во МГГУ, с. 126-130.
3. Молев М.Д, Матвеев В.А. Использование геофизических методов для прогнозирования проявлений горного давления в очистных забоях. (Работа выполнена при финансовой поддержке Минобразования России по конкурсу грантов 2000 г.; грант ТОО-4.1-2753). “Горный информационно-аналитический бюллетень”, № 1 2002 г. - М. Изд-во МГГУ, с. 70-72.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------
Молев Михаил Дмитриевич- доктор технических наук, доцент. ЮРГТУ.
Матвеев Валентин Александрович - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, Шахтин-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (ЮРГТУ).
© М.Л. Молев, В.А.
УЛК 622.83
М.Л. Молев, В.А. Матвеев ОПРЕЛЕЛЕНИЕ СМЕШЕНИЙ КРОВЛИ ОПОРНОГО ЛАВЛЕНИЯ И ОТЖИМА В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ *
Матвеев, 2003
В ОБЛАСТИ ПЛАСТА
При построении модели геомеханических процессов в кровле пластовых месторождений при отработке их длинными очистными забоями основная трудность возникает из-за существенного различия свойств и механического состояния пород кровли на участках еще нетронутого массива пласта, прилегающего к выработанному пространству и над этим выработанным пространством. К неверным представлениям и результатам их реализации приводили попытки решить задачу в целом как на основе механики сплошной среды (континиума) так и на основе принципов строительной механики, применяемых для анализа напряженно-деформированного состояния плит, фундаментов и подстилающей среды. В связи с этим был предложен новый подход к решению этой задачи, заключающейся в том, что конечные проявления горного давления в движущемся
очистном забое, в частности -смещения кровли, слагаются из двух составляющих: континуальной, формирующейся в результате деформаций пласта и вмещающих горных пород впереди очистного забоя, где массив кровли с некоторыми незначительными допущениями можно считать сплошным, и дискретнодинамической, которая формируется в результате нарушения сплошности слоев кровли и взаимодействия образующихся блоков между собой и крепью в призабойном и выработанном пространстве.
В ранее опубликованных работах [1, 2] была разработана математическая модель отслеживания блочного обрушения пород кровли и схем силового взаимодействия их с крепью призабойного пространства в динамике по мере движения очистного забоя. На ее основе была составлена компьютерная программа определения дискретно-динамической составляющей смещений кровли и сопряженных с ней нагрузок на крепь, которая корректно отражала динамику проявлений горного давления в очистных забоях по результатам натурных наблюдений. В этой модели составляющая смещений кровли впереди линии забоя, которую мы называем континуальной,
