CC BY
27
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
| А. А. Контримас // A. A. Kontrimas kontrimas@mail.ru
аспирант ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10 postgraduate student of Coal and Coal Chemistry Federal Research Center Institute of Coal, Russian Academy of Sciences Siberian Branch, 10, Leningradsky Av., Kemerovo, 650065, Russia
I А. В. Шадрин // A. V. Shadrin avsh-357@mail.ru
д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10
doctor of technical sciences, leading scientific researcher of Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 10, Leningradsky Av., Kemerovo, 650065, Russia
IЮ. А. Диюк // Yu. A. Diiuk juliabireva@gmail.com
аспирант ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10
postgraduate student of Coal and Coal Chemistry Federal Research Center Institute of Coal, Russian Academy of Sciences Siberian Branch, 10, Leningradsky Av., Kemerovo, 650065, Russia
УДК 622.831.322
УСТАНОВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ КРИТЕРИЯМИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКОГО И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДОВ ТЕКУЩЕГО ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ FUNCTIONAL RELATIONSHIP ESTABLISHMENT BETWEEN THE OUTBURST HAZARD CRITERIA OF SPECTRAL-ACOUSTIC AND INSTRUMENTAL METHODS OF CURRENT OUTBURST FORECAST
Анализируются инструментальные и геофизические методы текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов. Показано, что инструментальные методы имеют научно-обоснованные критерии выбросоопасности, однако характеризуются периодичностью выполнения, большой продолжительностью и необходимостью остановки горных работ на время их выполнения. Геофизические методы осуществляются непрерывно, не мешают ведению горных работ, но не имеют достаточного научного обоснования.
Установлено, что известные варианты исполнения наиболее достоверного геофизического спектрально-акустического метода текущего прогноза выбросоопасности, реализованные в аппаратуре типа АК-1 и САКСМ, имеют существенные недостатки, основными из которых являются не использование всего спектра шумов работающего горного оборудования и отсутствие методики определения критического значения показателя выбросоопасности. Предложен и обоснован вариант исполнения спектрально-акустического метода, основанный на зависимости медианы амплитудно-частотной характеристики шумов работающего горного оборудования (комбайна, струга, буровой штанги, отбойного молотка) от напряженного состояния призабойного пространства, использующий практически весь спектр шумов. Установлена функциональная связь критических значений показателей выбросоопасности спектрально-акустического и инструментального методов прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи.
На основании установленной связи разработана Методика определения критического значения показателя и критерия выбросоопасности спектрально-акустического метода с помощью инструментального метода прогноза.
Instrumental and geophysical methods of coal seam outburst hazard current forecast are analyzed. It is shown that instrumental methods have scientifically based criteria for outburst hazard, however, they are characterized by periodicity of execution, long duration and the need to stop mining at the time of their execution. Geophysical methods are carried out continuously, do not interfere with mining, but do not have sufficient scientific substantiation.
It has been established that the known versions of the most reliable geophysical spectral-acoustic method of the current forecast of outburst hazard implemented in AK-1 and SAKSM instruments have significant drawbacks, the main ones are not using the whole noise spectrum of the working mining equipment and the lack of a method for determining the outburst hazard indicator critical value.
A variant of the spectral-acoustic method is proposed and justified, based on the dependence of the median amplitude-frequency characteristic of operating mining equipment (combine, shearer, drill rod, jackhammer) on the stress state of the face area, using almost the entire noise spectrum.
A functional relationship has been established between the critical values of the outburst hazard indicators of the spectral-acoustic and instrumental outburst hazard forecasting methods through the initial gas emission rate and the drill fines output.
On the basis of the established connection, a methodology was developed for determining the indicator critical value and the spectral-acoustic method outburst hazard criterion using the instrumental forecast method. Ключевые слова: ПРОГНОЗ ВЫБРОСООПАСНОСТИ, ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ И ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ФАКТОРЫ ВЫБРОСООПАСНОСТИ, КРИТЕРИИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ Key words: OUTBURST HAZARD FORECAST, INSTRUMENTAL AND GEOPHYSICAL METHODS, FACTORS OF OUTBURST HAZARD, OUTBURST HAZARD CRITERIA
ведение
Для прогноза выбросоопасности применяются так называемые инструментальные и геофизические методы
Однако для них пока не разработаны критерии выбросоопасности для основных угольных бассейнов страны.
Первые основаны на периодическом непосредственном измерении физических параметров призабойного пространства газонасыщенного угольного массива, определяющих выбросоопасность, на основании которых рассчитывается по известному алгоритму показатель опасности. Эти методы обладают высокой достоверностью прогноза, т.к. основаны на хорошем научном обосновании критерия опасности, включающем статистическую обработку большого объема экспериментальной информации, полученной в забоях выработок до и после внезапного выброса. Однако они характеризуются большой продолжительностью, сдерживающей темпы ведения горных работ.
прогноза.
Цель настоящей работы - установить функциональную связь между критериями вы-бросоопасности спектрально-акустического, являющегося в настоящее время наиболее научно обоснованным геофизическим методом, и инструментального методов текущего прогноза выбросоопасности. Это позволит оперативно определить критерий выбросоопасности геофизического метода по результатам сравнения данных о прогнозе спектрально-акустическим и инструментальным методами, выполненными одновременно в одном и том же забое.
1. Сущность спектрально-акустического и инструментального методов прогноза динамических явлений
Геофизические методы основаны на опосредованном измерении физических величин, характеризующих выбросоопасность. Это возможно благодаря тому, что существуют функциональные связи между измеряемыми неразру-шающими методами величинами и параметрами призабойного пространства, определяющими выбросоопасность. Данные методы практически не мешают ведению горных работ, осуществляют мониторинг выбросоопасности непрерывно.
Анализ признаков выбросоопасности угольных пластов, зарегистрированных перед этим явлением в призабойном пространстве, а также известных моделей потери устойчивости горного массива при протекании этого явления свидетельствует о том, что основными факторами, определяющими выбросоопасность, являются напряженное состояние призабойного пространства, внутрипластовое давление свободного газа и прочность угля [1, 2]. Поэтому известные способы прогноза выбросоопасности
основаны на контроле одного или нескольких этих факторов.
Для прогноза выбросоопасности по этим факторам первоначально были разработаны так называемые инструментальные методы прогноза. Они основывались на анализе реакции при-забойного пространства впереди выработки на бурение разведочных скважин (шпуров) по наиболее выбросоопасной угольной пачке [3]. Наибольшую достоверность из инструментальных имеет способ текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи из скважин. Способ основан на контроле основных факторов выбросоопасности: начальная скорость газовыделения контролирует газовый фактор, а выход буровой мелочи - напряженное состояние и прочность угля.
В соответствии с этим методом критерий выбросоопасности для угольных шахт России описывается следующим выражением 3]:
R = (S -1.8)(g -a) - b = 0, (1)
v max 'x^max ' ' v '
где R - безразмерный показатель выбросоопасности; Smax - максимальное значение выхода буровой мелочи с интервала контроля, л/м; gmax -максимальное значение начальной скорости газовыделения, л/минм; а = 5 - для Воркутинского месторождения; а = 4 - для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России; b = 21 - для Воркутинского месторождения; b = 6 - для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России.
При R > 0 зона пласта относится к выбро-соопасной.
Однако этот метод не является непрерывным, требует остановки ведения горных работ, достаточно трудоемок и продолжителен. Поэтому желательно применять оперативный геофизический неразрушающий метод контроля (без бурения контрольных скважин или шпуров для оценки параметров, определяющих выбросоо-пасность).
Одним из таких методов является спектрально-акустический, основанный на анализе спектрального состав шумов работающего горного оборудования, прошедших контролируемую зону призабойного пространства. (В действующих в настоящее время нормативных документах этот метод называется «по параметрам искусственного акустического сигнала» [3]).
Метод основан на том, что при приближении выработки к зоне повышенных напряжений амплитуды высокочастотных составляющих спектра шумов работающего горного оборудования возрастали сильнее, чем амплитуды
низкочастотных составляющих. Поэтому их отношение было определено как коэффициент относительных напряжений [4].
В процессе разработки, испытаний и эксплуатации спектрально-акустического метода было предложено несколько вариантов алгоритма расчета коэффициента относительных напряжений. Рассмотрим их подробнее.
2. Варианты исполнения
спектрально-акустического метода
В настоящее время известны два варианта исполнения этого метода, различающихся подходом к определению рабочих частот [4].
Первый реализуется аппаратурой АК-1 (или ее модификацией АК-1М) и заключается в разбиении рабочего частотного диапазона, определяемого техническими характеристиками используемого геофона и лежащего в пределах 20-1500 Гц и более, на поддиапазоны низких и высоких частот. Разбиение осуществляется с помощью фильтров нижних и верхних частот.
Так, например, нормативным документом при использовании аппаратуры АК-1 или АК-1М регламентируется провести оценочные разведочные наблюдения для выбора частот среза фильтров высоких частот (ФВЧ) на одно из трех значений: 600, 800 или 1000 Гц, и частот среза фильтров низких частот (ФНЧ) на одно из трех значений: 160, 200 или 300 Гц [5]. (См. рис. 1).
Недостаток этого подхода состоит в следующем [4, 6-7].
1. Не используются спектральные составляющие акустического сигнала, лежащие между частотами среза ФВЧ и ФНЧ. Поэтому если изменение напряженного состояния горного мас-
Рисунок 1 - Выбор низкочастотной и высокочастотной областей спектра акустического сигнала для определения показателя опасности проявления динамического явления аппаратурой АК-1: fH - частота среза ФНЧ, fg - частота среза ФВЧ Figure 1 - Selection of low-frequency and high-frequency areas of the acoustic signal spectrum to determine dynamic phenomenon manifestation hazard indicator with the AK-1 instrument: fn is the FNCh cutoff frequency, fv is the FVCh cut-off frequency
сива при ведении горной выработки приведет к существенному изменению спектра акустического сигнала именно в этой области частот, оно окажется незамеченным.
2. Необходимость проведения специальных работ для выбора частот среза фильтров высоких и низких частот и периодической их корректировки в зависимости от изменения горногеологических и горнотехнических условий.
3. Опыт применения этого подхода показал, что невозможно установить единое значение критической величины показателя выбросо-опасности для всех шахт даже одного угольного бассейна. Поэтому критическое значение показателя выбросоопасности необходимо устанавливать экспериментально, однако методики выполнения этой процедуры нет.
Второй вариант выбора рабочих частот реализуется, например, системой акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ) [8]. В соответствии с этим документом рабочий диапазон частот лежит в пределах 20-3500 Гц, а области низких и высоких частот устанавливаются следующим образом. Предполагается, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического сигнала в зоне размещения приемника акустических колебаний имеет максимум. Обработка сигнала осуществляется автоматизировано с помощью специально разработанного программного обеспечения. Определяется частота, на которой амплитуда сигнала имеет максимальное значение Амах. (см. рис. 2). Левее этой частоты определяют частоты, сигналы на которых имеют соответственно амплитуды, равные 0,5А и 0,75А Эти частоты являют-
Рисунок 2 - Выбор низкочастотной и высокочастотной областей спектра акустического сигнала для определения показателя опасности проявления динамического явления системой САКСМ: (f1 - fH2) - низкочастотная область, (fg1 - f<J- высокочастотная область Figure 2 - Selection of low-frequency and high-frequency areas of the acoustic signal spectrum to determine dynamic phenomenon manifestation hazard indicator with the SAKSM system: (fn1 - fn2) - low-frequency area, (f1 - fv2) - high-frequency area
ся граничными низкочастотной области спектра. Аналогично этому правее частоты, соответствующей Амах, определяют частоты, сигналы на которых имеют соответственно амплитуды, равные 0,75Амах и 0,5Амах. Эти частоты являются граничными высокочастотной области спектра.
Преимущество этого варианта по сравнению с предыдущим состоит в том, что границы высоких и низких частот не являются фиксированными, а автоматически корректируются в зависимости от АЧХ принимаемого сигнала.
Но данный вариант также имеет недостатки, которые состоят в следующем 4, 6-7].
1. Используется не весь спектр для определения показателя опасности (коэффициента относительных напряжений).
2. Подход предполагает, что форма АЧХ сигнала имеет явно выраженный максимум. Однако на практике регистрируются, в том числе, сигналы с убывающей формой АЧХ при изменении частоты от минимальной к максимальной в области рабочих частот. Для таких случаев алгоритм расчета предполагает принудительное искажение спектра сигнала, что влияет на показатель опасности.
3. Нет методики определения критического значения показателя выбросоопасности.
3. Разработка модификации спектрально-акустического метода прогноза выбросоопасности, использующего
весь спектр акустического сигнала
Как видно из анализа существующих вариантов исполнения спектрально-акустического метода прогноза выбросоопасности, одним из основных недостатков этого метода является то, что не используется весь спектр излучаемого акустического сигнала. Поэтому нами была поставлена задача разработать такую модификацию спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния, в которой используется весь спектр сигнала работающего горного оборудования. Решение задачи состоит в следующем [9].
Предположим, что аналоговый акустический сигнал, генерируемый режущим органом работающего оборудования, например, проходческого комбайна, принимается приемным преобразователем на расстоянии г от излучателя, оцифровывается, преобразуется с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) в амплитудно-частотный спектр, который ограничивается в диапазоне частот, например, 20-1000 Гц, причем интервал между соседними гармониками Лf равен, например, 20 Гц. Тогда частота /-ой
гармоники будет равна
/. = 20/, /£[1; 50]. (2)
Ограничение частоты «сверху» обусловлено тем, что при контроле напряженного состояния впереди забоя подготовительной выработки источник и приемник акустических колебаний находятся позади контролируемой области горного массива (см. рис. 3). Диаграмму направленности излучателя приближенно можно принять полусферической. Поэтому часть акустического излучения должна пройти путь от источника по массиву впереди забоя выработки, повернуть далее в сторону геофона и пройти до него вдоль борта выработки. При этом акустическая волна при своем движении не может быть даже теоретически сфокусирована в объеме среды (изогнутого цилиндра, трубки), геометрические размеры поперечного сечения которой меньше половины длины волны [10]. Практически эта величина соизмерима с длиной волны. Следовательно, как минимум на эту глубину угольный пласт «про-звучивается» акустическими колебаниями, излучаемыми режущим органом комбайна.
Скорость звука в каменном угле для различных угольных бассейнов заметно отличается. Так, для Карагандинского угольного бассейна скорость продольного и поперечного звука минимальна (из основных угольных бассейнов на территории бывшего СССР) и соответственно равна 1,2-1,5 км/с и 0,8-1,0 км/с 11]. Следовательно, длины волн продольного и поперечного звука частотой 1000 Гц (соответствует минимальной длине волны в выбранном рабочем диапазоне частот) здесь будут соответственно равны 1,2-1,5 м и 0,8-1,0 м. Для Печерского угольного бассейна скорость продольного и поперечного звука максимальна и соответственно равна 2,33,6 км/с и 1,0-1,3 км/с [11]. Для этих скоростей
Рисунок 3 - Схема распространения звука от источника И (проходческого комбайна) к приемнику П при прогнозе выбросоопасности в подготовительной выработке Figure 3 - Sound propagation scheme from the source I (development header) to the receiver P with the outburst risk forecast in the development working
длины волн продольного и поперечного звука частотой 1000 Гц будут находиться соответственно в пределах 2,3-3,6 м и 1,0-1,3 м. Таким образом, чтобы глубина контроля массива впереди забоя подготовительной выработки была не менее 1 м, использовать частоты свыше 1000 Гц нецелесообразно.
Следует отметить, что при контроле напряженного состояния впереди очистной выработки спектрально-акустическим методом приемник акустических колебаний устанавливается в борт вентиляционного или откаточного штрека на расстоянии 15-30 м и более от сопряжения с забоем лавы. Поэтому звук от режущего органа комбайна распространяется по горному массиву впереди лавы на глубину, соизмеримую с расстоянием от геофона до забоя выработки; при прогнозе опасности проявления динамических явлений впереди очистной выработки ограничение частоты «сверху» не требуется.
Обоснуем алгоритм определения коэффициента относительных напряжений в варианте спектрально-акустического метода, использующего всю область спектра акустического сигнала работающего горного оборудования в диапазоне 20-1000 Гц.
Известно, что амплитуду /-ой гармоники акустического сигнала на расстоянии г от источника можно описать следующим образом:
А^/Юег«, (3)
где Аю - амплитуда /-ой гармоники у источника; Р(г) - функция, учитывающая диаграмму направленности источника сигнала (например, Р(г) = 1 -для плоской волны; Р(г) = 1/г - для сферической волны); а - коэффициент затухания звука.
Известно также, что для твердого тела коэффициент затухания звука в первом приближении прямо пропорционален частоте и обратно пропорционален действующим на тело средним текущим напряжениям а~&оГ Поэтому можно записать следующее равенство [12]:
где аю - затухание на некоторой частоте ^ при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии), м-1; в - безразмерный коэффициент пропорциональности, определяемый акустическими свойствами массива; / частота /-ой гармоники, Гц; опр и оГ - среднее соответственно предельное (максимально возможное для контролируемого участка пласта, предшествующее разрушению массива из-за динамического явления) и текущее значения напряжений в массиве, Па; с = а3Р1 М"1 Гц-1.
Л)
Тогда для выбранного нами диапазона частот сумма дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих акустического сигнала А (£ г) с учетом (2-4) будет равна:
(5)
Предположим, что АЧХ акустического сигнала имеет максимум и ее компоненты у излучателя могут быть описаны двумя экспоненциальными функциями - возрастающей и убывающей в следующем виде:
At,о =
A0e+f20i,ie [1,14] AQe~^Qi,i е [15,50]
(6)
где А0 - амплитуда гипотетической «нулевой» гармоники при /=0, В; параметры $ и п - определяют скорости изменения экспонент.
Определим параметры $ и п из условия, что А0 =1 В и амплитуды следующих гармоник удовлетворяют условию Аи0 = А150 ~ 1 В (условие «сшивания» двух экспонент). Тогда (6) примет вид:
4,о =
0,333e+0'073i, i е [1, 14] 2,86e-°'07i,ie [15,50]
(7)
Подставим (7) в (5). Результаты расчета амплитуд отдельных гармоник представлены на рис. 4 при следующих значениях входящих величин: а0 = 1,3 м-1; в = 0.07; ^ = 500 Гц; F(r) = 1; <у
г= 10 м; -
<у
= 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0.
пр
Из рисунка видно, что с ростом напряжений амплитуды высокочастотных гармоник возрастают сильнее низкочастотных.
Для приведенных параметров акустического сигнала определим зависимость текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих Мт от отношения При этом в соответствии с определением под медианой будем понимать корень уравнения А (£ г) = 0,5, иначе говоря, в нашем случае Мт -это значение частоты гармоники при которой выполняется условие:
п
2Х
-СШ^Г С™
50
<£0,5X4,0*
-СШ^г Cv
1=1 п+1
/=и+1 50
l4,o
/=1
—С 20 i-^-r
е *« >0,5^4.0«
/=и+2
—С 20 i-^-r
(8)
Таким образом, медианный номер гармоники является функцией напряженного состоя-
Рисунок 4 - Амплитудно-частотная характеристика смоделированного сигнала при °'т =0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0
Figure 4 - Amplitude-frequency characteristic of the simulated signal at =0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0.
ния горного массива и может использоваться как для организации текущего прогноза опасности проявления динамических явлений, так и для контроля эффективности любого выполненного мероприятия для снижения опасности проявления динамического явления.
Введем понятие показателя выбросоопас-ности (коэффициента относительных напряжений) К, равного отношению текущего значения медианы Мт к критическому Мкр, определенному аналогично Мт на участке проводимой горной выработки, на котором предварительно был выполнен прогноз инструментальным методом по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольных шпуров:
К= М /М
(9)
В таблице в качестве примера для сигнала со спектром вида (5) и его компонентов вида (7) представлены значения показателя выбросоо-пасности для отношений текущего и предельно-
го значении средних напряжении
-= 0,2; 0,4;
пр
0,6; 0,8; 1,0 при условии, что в качестве критического Мкр взято значение медианы М10 при
о = о .
т пр
Таблица. Зависимость показателя выбросоопасности спектрально-акустического метода прогноза от напряженного состояния Table. Dependence of the spectral-acoustic forecasting method outburst hazard index from the stressed state
о / о т пр К = М /М1П т 1,0
0,2 0,38
0,4 0,69
0,6 0,85
0,8 0,92
1,0 1,0
Из таблицы видно, что для рассмотренной модели акустического сигнала, имитирующего шум работающего комбайна, увеличение отношения текущих напряжений к предельным в 5 раз привело к росту К в 2,6 раза, что подтверждает возможность контроля этим методом напряженного состояния призабойного пространства.
Однако для использования этого метода прогноза с показателем выбросоопасности, определяемом в соответствии с выражением (9), необходимо знать величину Мкр для конкретного участка шахтопласта. Рассмотрим, как это можно сделать с помощью инструментального метода прогноза.
4. Метод определения
критического значения показателя выбросоопасности М
г кр
спектрально-акустического метода с помощью инструментального метода прогноза
Предлагаемый метод основан на установлении функциональной связи между разрабатываемым геофизическим (спектрально-акустическим) и достаточно широко апробированном на шахтах России инструментальным (по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольных шпуров) методами.
Установление функциональной связи между критериями выбросоопасности этих методов можно осуществить следующим образом.
Вначале выберем экспериментальный участок. Предположим, что это подготовительная выработка, проводимая комбайном. В ней выполним прогноз выбросоопасности последовательно инструментальным методом, характеризующимся высокой степенью достоверности прогноза, а затем спектрально-акустическим. Критерий выбросоопасности текущего прогноза по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи описывается выражением (1).
Из (1) определим критическое значение
Затем определим коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода прогноза Rо.в. контролируемой зоны пласта как отношение текущего и критического значений показателя выбросоопасности:
Ro.e = Rm/b, 1]). (12)
После этого на этом же участке пласта определим значение (назовем его опорным) медианы Мю дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего проходческого комбайна. Для этого на участке проводимой горной выработки, оснащенной аппаратурой для спектрально-акустического прогноза САКСМ, в соответствии с нормативным документом инструкцией по эксплуатации во время одного цикла подвигания забоя выполним следующие процедуры. С помощью геофона проведем измерение во времени амплитуды акустического сигнала, генерируемого работающим механизмом; выполним его аналого-цифровое преобразование; сформируем экспериментальные выборки из последовательности отсчетов аналого-цифрового преобразования; выполним с ними процедуру БПФ и проведем их усреднение во времени, например, за 15-секундные интервалы времени. В результате получим дискретный ряд усредненных амплитуд спектральных составляющих
А, (1е[1; NI], М1; Р],), где А.. - амплитуда /-ой гармоники в .-й 15-и секундный интервал; Р - количество 15-и секундных интервалов за время цикла подвигания забоя.
Далее определим полусумму амплитуд всех усредненных спектральных составляющих
сигнала 0,5^ ^^ХА в каждый.-й 15-и секундный
интервал и найдем медианный интервал частот, в котором находится медиана путем определения номера п. спектральной составляющей (гармоники), при которой выполняются два условия:
показателя выбросоопасности RKp инструмен- ^ '^ < 0,xAf а Д > 0,Д-03)
тального метода прогноза:
R = (S -1.8)(g -a) = b, (10)
кр v max 'max ' ' v '
Далее по результатам бурения контрольного шпура определим текущее значение показателя выбросоопасности Rw по следующей формуле:
R = (S -1.8)(g -a), (11)
т v maxrn '^maxrn '' v '
где S и g - текущие соответственно мак-
m maxrn ¿'maxrn J 1
симальное значение выхода буровой мелочи и максимальное значение начальной скорости газовыделения.
Для простоты примем опорное значение медианы М, равным меньшему значению частоты медианного интервала:
Мюю = п.Л/, (14)
где Л/- интервал между соседними гармониками.
Измерения проводим в течение одного цикла подвигания забоя, по результатам которого определим минимальное опорное значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного
оборудования М0тПп.
Следует указать, что данный метод определения критерия выбросоопасности спектрально-акустического метода с помощью инструментального метода прогноза можно проводить и в случае работы в выработке любого горного оборудования: комбайна, струга, буровой установки, электросверла, отбойного молотка, генерирующего в пласт широкополосный акустический сигнал непрерывно в течение некоторого времени, соизмеримого с циклом подвигания забоя. Но процедуру определения минимального опорного значения медианы М0т/п нужно проводить отдельно для каждого типа работающего горного оборудования. Причем из обработки следует исключить результаты нескольких, например, трех первых 15-и секундных интервалов, за время которых работающий механизм выйдет на стационарный режим работы.
Далее по аналогии с (12) определим коэффициент относительной выбросоопасности спектрально-акустического метода прогноза Ко.в. контролируемой зоны пласта как отношение текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования к ее критическому значению, имеющему место при: а = а :
т пр
К = Мю /М , (К с[0; 1]). (15)
о.в. Отп кр х о.в. 1 ' 4 '
Предполагая, что коэффициенты относительной выбросоопасности инструментального и спектрально-акустического методов примерно равны, т.е. Roga Код. Найдем критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования:
Кг
(16)
Выражение (16) отображает искомую связь критических значений показателей выбро-соопасности спектрально-акустического Мкр и инструментального Ь методов прогноза выбро-соопасности по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи.
Установив экспериментально эту связь, в дальнейшем можно осуществлять в данном забое текущий прогноз выбросоопасности спектрально-акустическим методом путем измерения текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов и сравнения его с критическим значением.
Вывод о степени выбросоопасности бу-
дем делать следующим образом: если Мт > Мкр, зону пласта будем относить к выбросоопасной, а если М < М , зону пласта отнесем к невыбро-
т кр
соопасной.
По мере подвигания забоя подготовительной или очистной выработки критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования следует корректировать в случае изменения горно-геологических условий. Это обусловлено тем, что в отличие от используемого инструментального метода прогноза, контролирующего три основных фактора выбро-соопасности, спектрально-акустический контролирует преимущественно один фактор выбросоопасности - напряженное состояние. Поэтому использование этого метода для прогноза возможно в том случае, если предположить, что по мере ведения выработки газовый фактор сохраняется примерно постоянным. При изменении горно-геологических условий весьма вероятно изменение газового фактора, и коррекция критического значения критерия выбросоопасности спектрально-акустического метода необходима.
При кажущемся постоянстве горно-геологических условий коррекцию критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования целесообразно проводить не более чем через 300 м подвигания забоя.
Для того чтобы критерий выбросоопас-ности геофизического метода сохранялся и при смене горно-геологических условий, он должен контролировать не только напряженное состояние, но и газовый фактор [13, 14], и прочность угля. Это возможно, если спектрально-акустический метод, контролирующий напряженное состояние, дополнить газоаналитическим методом, контролирующим газовый фактор выбросоопасности, и методом измерения прочности наиболее перемятой угольной пачки [2, 15-17].
При выборе места установки приемника акустических колебаний в подготовительной выработке при определении опорного значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов следует учесть следующее. Он должен быть установлен на удалении от забоя выработки, близком к предельному на расстоянии 25 м. Это делается для того, чтобы получить минимальную величину критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования, что позволит избежать при прогнозе ошибки первого рода.
Предельное расстояние определяется
коэффициентом затухания звука в конкретной выработке и уровнем акустических шумов, замеренным до начала работы горного оборудования, акустическое излучение которого используются для прогноза выбросоопасности. Это расстояние соответствует отношению амплитуды акустического сигнала работающего оборудования к акустическим помехам, которое, по нашему мнению, должно быть близким к трем, но не меньшим двух.
Для осуществления предлагаемого способа можно применять серийно выпускаемое оборудование. Для измерения начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров комплект оборудования включает в себя ручное электросверло, набор витых составных штанг длиной до 6,5 м, герметизатор скважины и измеритель начальной скорости газовыделения типа ИГ-1. Для измерения выхода буровой мелочи можно использовать мерный сосуд. Для спектрально-акустического прогноза (контроля) выбросоопасности можно применить систему акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ), состоящую из аппаратуры регистрации и передачи на поверхность акустического сигнала (АРАС), программного обеспечения акустического контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений (программа АКМП-РИВАС), персонального компьютера, принтера и устройства бесперебойного питания.
Связь подземной части аппаратуры с наземной при этом осуществляется линией связи, в качестве которой может использоваться свободная пара проводов телефонного кабеля шахты.
Алгоритм цифровой обработки дополнительно к выполняемым программой АКМП-РИВАС операциям включает определение критического значения медианы дискретного ряда усредненных во времени амплитуд спектральных составляющих Мр по формулам (13) - (16), а затем текущего значения медианы дискретного ряда усредненных во времени амплитуд спектральных составляющих Мт по формулам (13) и (14), в которых индекс 0} заменен на индекс т (текущий), и отнесение зоны пласта к выбросо-опасной, если М > М , а если М < М , то зону
' т кр т кр' *
пласта относят к невыбросоопасной.
Выводы
В работе дано обоснование варианта исполнения спектрально-акустического метода текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов, основанного на зависимости медианы амплитудно-частотной характеристики шумов работающего горного оборудования от напряженного состояния призабойного пространства, использующего практически весь спектр шумов. Для него разработан Метод определения критического значения показателя и критерия вы-бросоопасности с помощью инструментального метода прогноза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Факторы, определяющие формирование и проявление выбросоопасности углей Донбасса / Радченко А.Г. [и др.] // Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр : 3-я конференция международной научной школы академика К.Н Трубецкого. М.: ИПКОн РАН. 2018. С. 276-279.
2. Shadrin, A.V. Comparison of outburst danger criteria of coal seams for acoustic spectral and instrumental forecast methods / A.V. Shadrin, Yu.A. Bireva // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 45, Number 1 (2016), 012008.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016 г №339. 129 с.
4. Шадрин А.В. Особенности модификаций спектрально-акустического прогноза динамических явлений в угольных шахтах // 50 лет Российской научной школе комплексного освоения недр Земли : Материалы Международной научно-практической конференции. 13-16 ноября 2017. М.: ИПКОН РАН, 2017. С. 85-89.
5. Руководство по выполнению спектрально-акустического контроля (прогноза) выбросоопасности на шахтах Кузбасса. Утверждено Кузнецким управлением Гостехнадзора России 23.04.2002 г. Кемерово, 2002.
6. Шадрин А.В., Контримас А.А. Задачи совершенствования спектрально-акустического прогноза динамических явлений в угольных шахтах // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: науч. журнал / Сиб. гос. ун-т; под общей ред. В.Н. Фрянова. Новокузнецк, 2017. №3. С.408-413.
7. A V Shadrin and A A Kontrimas. Basic tasks for improving spectral-acoustic forecasting of dynamic phenomena in coal mines / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 84, conference 1. (2017), 012040.
8. Руководство по применению системы акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ). М.: МНТЛ РИВАС, 2016. 49 с.
9. Патент 2661498 РФ. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов / А.В. Шадрин, А.А. Контримас, Ю.А. Диюк. Бюл. № 20. 2018.
10. Савич А. И. О зоне «захвата» упругих волн // Труды Гидропроекта. 1971. № 21. С. 29-40.
11. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. М.: Недра, 1988. 199 с.
12. Шадрин А.В., Коноваленко В.А. Основы автоматизированного непрерывного ГДЯ-мониторинга на угольных шахтах Кузбасса // Вестник КузГТУ. 2001. № 3. С.28-31.
13. Полевщиков ГЯ., Козырева Е.Н., Киряева Т.А., Шинкевич М.В., Брюзгина О.В., Рябцев А.А., Назаров Н.Ю., Плаксин М.С. Снижение газодинамической опасности подземных горных // Уголь. 2007. № 11 (979). С. 13-16.
14. Полевщиков ГЯ., Шинкевич М.В., Плаксин М.С. Газокинетические особенности распада углеметана на конвейерном штреке выемочного участка // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 8. С. 21-28.
15. Шадрин А.В. Геофизический критерий предвыбросного развития трещин в угольном пласте / Физ.-тенхн. пробл. разработки полезных ископаемых. 2016. № 4. С. 48-62.
16. Shadrin A.V. Geophysical criterion of pre-outburst crack propagation in coal beds // Journal of Mining Science, 2016, Volume 52, Issue 4, pp 670-682.
17. Шадрин А.В., Бирева Ю.А. Сравнение критериев выбросоопасности угольных пластов для спектрально-акустического и инструментального методов прогноза // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: науч. журнал / Сиб. гос. ун-т; под общей ред. В.Н. Фрянова. Новокузнецк, 2016. № 2. С.410-416.
REFERENCES
1. Radchenko, A.G., Shalovanov, O.L., Skopich, T.I., & Radchenko, A.A. (2018). Faktory, opredeliaiushchie formirovanie i proiavlenie vybrosoopasnosti uglej Donbassa [Factors determining the Donbass coals outburst hazard formation and manifestation]. Proceedings from: Problems and prospects for the integrated development and preservation of the earth's interior: 3-ya konferentsiia mezhdunarodnoi nauchnoi shkoly akademika K.N Trubetskogo - 3rd Conference of Academician K.N.Trubetskoy International Scientific School (pp. 276-279). Moscow: IPKON RAS [in Russian].
2. Shadrin, A.V., Bireva, Yu.A. (2016). Comparison of outburst danger criteria of coal seams for acoustic spectral and instrumental forecast methods. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 45, Number 1 (2016), 012008 [in English].
3. Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoi bezopasnosti «Instruktsiia po prognozu dinamicheskikh yavlenii i monitoringu massiva gornykh porod pri otrabotke ugolnykh mestorozhdenii». Utverzhdeny prikazom Federalnoi sluzhbypo ekologicheskomu, tekhnologicheskomuiatomnomu nadzoru ot 15.08.2016 g. №339. 129 s[Federalnorms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prediction of dynamic phenomena and monitoring of the rock massif when mining coal deposits." Approved by order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated August 15, 2016 No. 339. 129 p [in Russian].
4. Shadrin, A.V. (2017). Osobennosti modifikatsii spektralno-akusticheskogo prognoza dinamicheskikh iavlenii v ugolnykh shakhtakh [Modification features of coal mines' dynamic phenomena spectral-acoustic forecast]. Proceedings from: 50 years of the Russian scientific school of the Earth's interior integrated development: Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia (13-16 noiabria 2017) - international Scientific and Practical Conference (pp. 85-89). Moscow: IPKON RAS [in Russian].
5. Rukovodstvo po vypolneniiu spektralno-akusticheskogo kontrolia (prognoza) vybrosoopasnosti na shakhtah Kuzbassa. Utverzhdeno Kuznetskim upravleniem Gostekhnadzora Rossii 23.04.2002 g. Kemerovo, 2002 [Guidelines for the implementation of spectral-acoustic control (forecast) of outburst hazard in the mines of Kuzbass.. Approved by the Kuznetsk Directorate of the State Technical Inspection of Russia April 23, 2002 Kemerovo, 2002 [in Russian].
6. Shadrin, A.V., Kontrimas, A.A. (2017). Zadachi sovershenstvovaniia spektralno-akusticheskogo prognoza dinamicheskikh yavlenii v ugolnykh shakhtakh [Tasks for improving spectral-acoustic forecasting of dynamic phenomena in coal mines]. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispolzovaniia mineralnykh resursov: nauch. zhurnal - High technologies of mineral resources development and use: scientific magazine, Novokuznetsk, 3, 408-413 [in Russian].
7. Shadrin, A.V., & Kontrimas, A.A. (2017). Basic tasks for improving spectral-acoustic forecasting of dynamic phenomena in coal mines / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 84, conference 1. 012040 [in English].
8. Rukovodstvo po primeneniiu sistemy akusticheskogo kontrolia sostoianiia massiva gornykh porod i prognoza dinamicheskikh iavlenii (SAKSM) [Guidance on the rock massif state acoustic monitoring system application and dynamic phenomena forecast (SAKSM)]. Moscow: MNTL RIVAS, 2016 [in Russian].
9. Shadrin, A.V., Kontrimas, A.A., & Diiuk, Yu.A. Sposob spektralno-akusticheskogo prognoza vybrosoopasnosti ugolnykh plastov [Method of coal seam outburst hazard spectral acoustic forecast]. Patent RF 2661498, 2018 [in Russian].
10. Savich, A.I. (1971). O zone "zakhvata" uprugikh voln [On the elastic waves "capture" zone]. Trudy Gidroproekta -Gidroproekt Papers, 21, 29-40 ev,
11. Azarov, N.Ya., & Yakovlh, D.V. (1988). Seismoakusticheskiimetodprognozagorno-geologicheskih usloviiehkspluatatsii ugolnykh mestorozhdenii [Seismoacoustic method for predicting the mining and geological conditions of coal deposits' development]. Moscow: Nedra [in Russian].
12. Shadrin, A.V., & Konovalenko, V.A. (2001). Osnovy avtomatizirovannogo nepreryvnogo GDYa-monitoringa na ugolnykh shakhtakh Kuzbassa [Fundamentals of automated continuous gas dynamic phenomena monitoring in the coal mines of Kuzbass]. Vestnik KuzGTU - KuzGTU Herald, 3, 28-31 [in Russian].
13. Polevshchikov, G.Ya., Kozyreva, Ye.N., Kiriaeva, T.A., Shinkevich, M.V., Briuzgina, O.V., Riabtsev, A.A., Nazarov, N.Yu., & Plaksin, M.S. Snizhenie gazodinamicheskoi opasnosti podzemnyh gornyh [Reduction of underground mining gas-dynamic hazard]. Ugol - Coal,11 (979), 13-16 [in Russian].
14. Polevshchikov, G.Ya., Shinkevich, M.V., & Plaksin, M.S. (2011). Gazokineticheskie osobennosti raspada uglemetana na konveiernom shtreke vyemochnogo uchastka [Gas kinetic features of coal and methane disintegration in the conveyor drift of the extraction section]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, 8, 21-28 [in Russian].
15. Shadrin, A.V. (2016). Geofizicheskii kriterii predvybrosnogo razvitiia treshchin v ugolnom plaste [Geophysical criterion of pre-outburst crack propagation in a coal seam]. Fiz.-tenhn. probl. razrabotki poleznykh iskopaemykh - Physical and
