CC BY
0
9. Oparin V.N. Theoretical foundations of the description of the interaction of geo-mechanical and physico-chemical processes in coal seams // Mining Scientific Journal. 2017. Volume 53. No. 2. pp. 201-215.
10. In Oparin. N., In Simonov.F. On nonlinear deformation-wave processes in vi-bro-wave technologies for the development of oil and gas fields // FTPRPI. 2010. No. 2. pp. 3-25.
11. Oparin V.N. Pendulum waves and the basics of "geomechanical thermodynamics" // Geohazard mechanics, 2022. No. 1. pp. 38 - 52.
УДК 622.831.31
ВЛИЯНИЕ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ФОРМЫ ИСХОДНОГО СПЕКТРА «ШУМА» КОМБАЙНА, УДАЛЕНИЯ ОТ НЕГО СЕЙСМОПРИЕМНИКА НА МЕДИАНУ СПЕКТРА
А.В. Шадрин
Представлены результаты исследования влияния горного давления, формы исходного спектра «шума» комбайна на его медиану при различном удалении сейсмо-приемника от груди забоя подготовительной выработки. Путем численного эксперимента показано, что увеличение расстояния между излучателем «шума» и его приемником приводит к смещению медианы спектра в область более низких частот. И чем выше динамический коэффициент затухания гармоник и шире исходный спектр «шума», тем это смещение сильнее. Установлено также, что с ростом напряжений за счет более сильного снижения затухания высокочастотных гармоник спектра «шума» работающего оборудования по сравнению со снижением затухания низкочастотных гармоник медиана спектра смещается в область боле высоких частот. И чем выше динамический коэффициент затухания гармоник и шире исходный спектр «шума», тем это смещение сильнее. Данное обстоятельство предложено использовать в качестве показателя опасности. Факторами, усложняющими использование медианы для текущего прогноза геодинамических явлений, является зависимость ее помимо горного давления от расстояния между источником и приемником «шума» и не зависимость от внутрипластового давления газа и прочности угля. Поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на поиск решений по минимизации влияния этих факторов на результат прогноза.
Ключевые слова: медиана спектра «шума» комбайна, горное давление, удаление сейсмоприемника, прогноз геодинамических явлений.
Введение. Интенсификация горных работ и увеличение глубины разработки угольных месторождений осложняются проявлением различного рода геодинамических явлений (ГДЯ). Наиболее сложными и опасными из них являются внезапные выбросы угля и газа и горные удары [1 -7]. Поэтому возрастает необходимость в достоверных методах их прогноза, в том числе - текущего.
Из методов текущего прогноза ГДЯ благодаря относительно небольшой продолжительности выполнения все большее распространение
получают геофизические [8]. В свою очередь из геофизических благодаря достаточно большому радиусу контроля массива приемником акустических колебаний превалирующее значение имеют акустические методы [913], которые с целью повышения достоверности прогноза могут быть дополнены газоаналитическим и периодически привлекаемыми инструментальными и другими методами [14 - 16].
Из акустических методов в последние годы на шахтах России и Украины все большее распространение получают модификации метода, основанного на спектральном анализе «шума» работающего горного оборудования. Исторически первым из этой группы был внедрен в практику метод, называемый в действующих нормативных документах «по параметрам искусственного акустического сигнала» [8]. В этом методе оценка напряженного состояния призабойного пространства осуществляется коэффициентом относительных напряжений Кон, равным отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной компонент спектра «шума» работающего горного оборудования [8]. Чаще всего таковым является проходческий или очистной комбайн.
Преимуществом такого метода является следующее. Во-первых, в качестве источника, зондирующего массив акустического излучения, используется «шум» разрушаемого рабочим органом комбайна угольного пласта. Во-вторых, прогноз осуществляется непрерывно во время работы комбайна «по углю» - т.е. именно в то время, когда и возникает опасность ГДЯ.
Недостатками метода являются, во-первых, контроль только напряженного состояния, вызванного горным давлением, и не учет газового фактора и прочности угля, во-вторых, неиспользование части спектра «шума» комбайна, что может привести к ошибке в оценке опасности проявления ГДЯ [17].
Для исключения второго недостатка метода прогноза была обоснована возможность оценки напряженного состояния массива по медиане всего спектра «шума» работающего оборудования [17, 18]. Однако на медиану спектра помимо горного давления оказывает влияние большое количество других факторов. Основными из них являются акустические свойства горного массива, включающего угольный пласт и вмещающие породы, а также расстояние между сейсмоприемником и источником «шума». Акустические свойства горного массива определяют в значительной степени ширину и форму спектра «шума», а также затухание сигнала.
Цель статьи: путем численного экспериментирования показать влияние изменения горного давления, формы исходного спектра «шума» комбайна на его медиану при различном удалении сейсмоприемника от груди забоя подготовительной выработки в процессе осуществления текущего прогноза геодинамических явлений.
Метод исследований: численное моделирование.
Физическая основа прогноза геодинамических явлений по медиане спектра «шума» проходческого комбайна
Все модификации методов прогноза ГДЯ, основанные на спектральном анализе «шума» работающего оборудования, базируются на том, что коэффициент затухания звука в твердом теле а прямо пропорционален частоте сигнала / [19] и обратно пропорционален средним напряжениям в массиве о [20]:
а-Г~. (1)
Разрушаемая рабочим органом комбайна область массива является источником широкополосного акустического сигнала, который можно представить в виде суммы N гармоник Л{, зависящих от типа рабочего органа комбайна, расстояния г между источником и приемником сигнала, частоты гармоники/, текущих средних напряжений в массиве от и коэффициента затухания 1-й гармоники а¿:
N
Л = £ Л (г, / ), ¿Ф, N1. (2)
Амплитуду -й гармоники на расстоянии г от источника можно записать следующим образом:
= А^^е-^, (3)
где: Л,0 - амплитуда ¿-й гармоники у рабочего органа комбайна, В; а1 -затухание ¿-й гармоники на частоте /, м-1, ¥(г) - закон изменения амплитуды с расстоянием вследствие расхождения волнового фронта акустических колебаний, характеризующий диаграмму направленности источника (размерная единица зависит от вида этой функции).
Затухание с целью сохранения размерности можно записать следующим образом:
«,=«0 +рА ^, (4)
/0 ат
где а0 - затухание на самой низкой частоте рабочего диапазона геофона при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии), м-1; Д - параметр, который назовем динамическим коэффициентом затухания, определяемый свойствами массива, м-1;/0 - некоторое значение частоты из рабочей области геофона, Гц; апр и стт - средние соответственно предельное и текущие значения напряжений в массиве, Па.
Параметр Д зависит от ряда физико-механических свойств среды. Однако для каждого конкретного случая его можно приближенно принять величиной постоянной для данной области призабойного пространства = в=сопэ!
Регламентируемый действующим нормативным документом параметр, характеризующий напряженное состояние призабойного пространства, называется коэффициентом относительных напряжений Кон, и определяется отношением сумм амплитуд гармоник высокочастотной и низкочастотной областей спектра «шума» [8]:
^=1£, (5) где Л^в и Л^ - соответственно амплитуды гармоник в высокочастотной и низкочастотной областях.
Акустический сигнал в каждый момент времени определяется, помимо акустических свойств массива и горного давления, расстоянием между приемником и источником звука, расположением рабочего органа комбайна на груди забоя выработки относительно ее бортов и усилием воздействия на пласт. В связи с этим этот сигнал характеризуется большой изменчивостью по амплитуде и спектральному составу во времени. Поэтому чтобы однозначно характеризовать напряженное состояние достаточно большой части призабойного пространства на глубину в несколько метров необходимо усреднить амплитуды гармоник во времени. Второй задачей, которую нужно решить для объективного и адекватного использования выражения (5) при оценке напряженного состояния, является обоснование границ низкочастотной и высокочастотной областей спектра «шума». В различных модификациях аппаратуры для определения Кон (АК-1, АК-1М, АПСС, САКСМ, РИПАС и др.) эти задачи решались по-своему. Однако во всех указанных модификациях аппаратуры часть спектра не использовалась. Между тем многочисленные экспериментальные данные показывают, что из-за разнообразия горно-геологических условий разработки угольных пластов перед внезапными выбросами подъем АЧХ наблюдался на разных частотах (см., например, [21, 22]). Насколько это оказывало влияние на достоверность прогноза, оценить в настоящее время невозможно.
Для исключения этого обстоятельства нами был обоснован метод контроля напряженного состояния, использующий весь спектр сигнала. В нем показано, что увеличение напряженного состояния массива приводит к росту значения медианы регистрируемого спектра [17, 18].
Покажем с помощью численного эксперимента как акустические свойства массива и технологические параметры метода прогноза влияют на прогнозную величину - медиану спектра «шума» работающего по углю комбайна.
Численное экспериментирование влияния формы спектра «шума», удаления сейсмоприемника от комбайна и горного давления
на медиану спектра
Форма спектра «шума» работающего проходческого комбайна зависит от многих факторов, указанных выше. На рис. 1 представлены типовые формы спектра, зарегистрированные в шахтных условиях: тип А) будем называть узкополосным, а тип Б) - широкополосным. Здесь для удобства амплитуды А гармоник оцифрованного сигнала после быстрого преобразования Фурье представлены в условных единицах.
На левом спектре гармоники с максимум амплитуды располагаются примерно в области 180...300 Гц, а на правом - в области 380...580 Гц. Приближенно эти формы спектра можно описать с помощью комбинации двух экспонент: на начальной части спектра - возрастающей, на конечном - убывающей. Зададим параметры этих экспонент.
Допустим, что в результате усреднения по частоте интервал между соседними гармониками составляет 20 Гц. Будем моделировать основную часть спектра, которую назовем рабочей - превышающей уровень акустических помех, обусловленных шумами других источников, - в области 20 -1000 Гц., т.е. весь спектр будем представлять 50 гармониками. Тогда частота 1-й гармоники будет
/ = 20/, /е[1; 50]. (6)
Подставив (4) и (6) в (3), получим следующее выражение для /-й гармоники сигнала:
А. (г) = е~а0Т(г)А10е /0 . (7)
Р20/°пр
А)
Г. Га Г. Гц
Рис. 1. Типовые формы спектра «шума» работающего проходческого
комбайна
При моделировании типовых форм спектра гармониками предположим, что узкополосный спектр имеет максимальную амплитуду в районе 14-й гармоники (/Атах =280 Гц), а широкополосный - в районе 25-й гармоники (/Атах = 500 Гц). Тогда компоненты спектра у излучателя А,,о
можно описать двумя экспонентами (возрастающей и убывающей) для узкополосного спектра в виде (8), а для широкополосного спектра - в виде
(9).
А10е, г е [1,14]
1,0 , (8)
А^е(г"14), г е [15,50]
где <у и пу - показатели соответственно возрастающей и убывающей экспонент узкополосного спектра;
Дое, г е [1,25]
Аг,0 у
А.0 =
г ,0ш
, (9)
Д5,0е-"ш(г-25), г е [26,50]
где <ш и Пш - показатели соответственно возрастающей и убывающей экспонент широкополосного спектра.
Амплитуды 1-й, 14-й и 50-й гармоник узкополосного спектра зададим следующим образом: А1,0 =1 у.е., А 14,0 =10 у.е., А50,0 =0,1 у.е. Подставив эти значения в (9), получим численные значения параметров <£,=0,1645 и Пу=0,1279.
Амплитуды 1-й, 25-й и 50-й гармоник широкополосного спектра зададим следующим образом: А10 =3,5 у.е., А25,0 =7 у.е., А500 =0,7 у.е. Подставив эти значения в (8), получим численные значения параметров <ш=0,0277 и Пш=0,0921.
Тогда выражения (8) и (9) примут соответственно вид
• е0'1645', г е [1,14];
1 и (10)
10. е-0'1279('"14), г е [15,50];
3,5 • е0'0272', г е [1,25];
7е"0'0921('~25), г е [26,50].. ( )
Спектры сигналов «шума» комбайна в соответствии с (10) и (11) и рассчитанные номера медианных гармоник (соответственно гм,у=15 и гм,ш=20 - вертикальные штриховые линии) показаны на рис. 2.
По мере удаления сейсмоприемника от груди забоя и с изменением напряженного состояния спектры этих моделируемых сигналов будут изменяться. Изменение спектра будем оценивать медианной частотой/м или номером соответствующей гармоники пм. Согласно определению под медианой будем понимать номер гармоники, являющийся корнем уравне-
А,0
г,0у
а. 0
г, 0ш
г =пм
ния ^ Аг (г) = 0 ,5А(г), поскольку медиана, это номер такой гармоники
г=1
(или значение частоты), при котором сумма амплитуд гармоник левее ее равна сумме амплитуд гармоник, расположенных в спектре правее ее. Следовательно, Пт - это номер гармоники частотой /м, при которой выполняется записанное в общем виде условие для узкополосного и широкополосного спектров:
(12)
Рис. 2. Моделируемые амплитуды гармоник узкополосного Люу и широкополосного Люш спектров «шума» комбайна у источника
и их медианные гармоники
В моделируемых нами спектрах расстояние между гармониками взято достаточно большим - 20 Гц. Поэтому рассчитанное в соответствии с (12) значение номера гармоники может оказаться дробным, находящимся между целочисленными номерами. В этом случае в качестве пм будем принимать ближайшее к рассчитанному целочисленное значение. Рассчитанные так медианы для исходного узкополосного (пм=15) и широкополосного (Пм=2о) спектра показаны на рис. 2.
Изменение напряженного состояния будем характеризовать параметром в:
6 = ^. (13)
а
пр
Проиллюстрируем оговоренные выше изменения спектров графически.
Для расчета спектра шума в соответствии с (7) необходимо знать коэффициенты затухания ао и в, а также параметр Р(г), характеризующий диаграмму направленности источника шума. Определим их.
Определение коэффициента затухания может быть выполнено в лабораторных и шахтных исследованиях. Лабораторные исследования выполняются, как правило, путем прозвучивания специально подготовленных образцов [23] и в специальной установке, исключающей создание
в образце стоячих волн. Недостатком лабораторных исследований является неучет многих факторов, которые оказывают влияние на распространение звука в шахтных условиях: горное давление, частоту звуковых колебаний, слоистость, нарушенность, пористость материала и др. [24 - 26]. Так, например, изменение пористости в известняке с 4 до 32% привело к изменению коэффициента затухания в 5 раз [25]. А угольный пласт в области груди забоя после остановки комбайна вследствие естественного отжима претерпевает значительное разрыхления. Поэтому, начав работать, комбайн вначале разрушает сильно нарушенный уголь с большим коэффициентом затухания, а затем по мере углубления работает по углю со все меньшей пористостью и трещиноватостью. При этом коэффициент затухания снижается. Сильное затухание звука наблюдается в угольном пласте также при переходе зон массива с геологическим нарушением.
При определении коэффициента затухания в естественных условиях необходимо выбрать тип источника звука, расстояние между источником и приемником, при этом учесть большое количество внешних влияющих факторов. Эти факторы приводят к изменениям многих параметров излучения. Так, в работе [27] показано, что в процессе измерений на углях различной степени метаморфизма в Кузбассе скорость продольной волны в угле изменялась в пределах 2,3...3,5 км/с, а поперечной - в пределах 1,7...1,9 км/с.
Поскольку скорости распространения и коэффициенты затухания продольных, поперечных и поверхностных волн различные, результат их интерференции приводит к колебательному характеру амплитуды результирующих колебаний по мере удаления приемника от источника, а также к смещению спектра каналовых волн в область низких частот [27].
На практике в качестве источника звука используется редко взрыв, чаще удар, а в последнее время - работающее горное оборудование. Все эти источники являются достаточно широкополосными. При исследовании влияния свойств горного массива на параметры акустической волны поле смещений импульсного источника приближенно описывают 5-функ-цией, а коэффициент затухания акустического импульса - эффективной величиной [27].
Но для определения частоты медианы спектра «шума» комбайна необходимо знать затухание каждой гармоники. С этой целью были выполненные специальные экспериментальные исследования на одной из шахт Кузбасса. Они показали, что коэффициент затухания гармоник сигнала шума комбайна при удалении геофона от него на расстояние 10-50 м сильно изменяется. Приближенно на частоте 20 Гц (1-я гармоника) среднюю величину его для конкретных условий можно взять равной а0=0,04м-1.
Источник «шума» работающего комбайна можно приближенно считать сферическим, для которого функция ^Р(г) в (7) непосредственно
около источника может быть описана степенной зависимостью. Однако при распространении звука далее до геофона вдоль пласта, являющегося каналом с постоянным сечением, акустическую волну весьма приближенно можно принять плоской. При этом допущении ^(г) = 1.
Коэффициент в зависит от многих параметров: мощности угольного пласта и включающих его слоев почвы и кровли, трещиноватости и пористости угля, горного давления и пр. Проведем численный эксперимент с тремя возможными значениями этого коэффициента: для слабого, среднего и сильного затухания сигнала с увеличением частоты. Для этого допустим, что при отношении опр!ат = 5, /0= 20 Гц изменение частоты с 20 (первая гармоника) до 1000 Гц (50-я гармоника) приведет к возрастанию в (4) второго слагаемого по отношению к первому соответственно в 2; 5 и 10 раз. При этих условиях из (4) находим, что коэффициенты в и в2 и вз будут равны соответственно 0,00032, 0,0008 и 0,0016 м-1.
При принятых условиях и следующих параметрах: г=10 м, в=0,2 спектры узкополосного и широкополосного сигналов, рассчитанные в соответствии с выражениями (7), (10) и (11) для трех значений коэффициента в, имеют вид, приведенный на рис. 3.
Вычисление в соответствии с (12) номера медианных гармоник для значений в1=0,00032, в2=0,0008 и в3=0,0016 м-1 составили: для узкополосного спектра - соответственно 14, 13 и 12, а для широкополосного спектра - соответственно 18, 15 и 10.
Как видно из приведенных данных, при одном и том же горном давлении спектры сигнала при прохождении 10 м изменяются тем сильнее, чем выше динамический коэффициент затухания.
По условиям ведения текущего прогноза методом «по параметрам искусственного акустического сигнала» геофон может находиться на разном удалении от груди забоя [8]. Покажем, как изменяется спектр и его медиана при удалении на 10, 20 и 30 м при том же горном давлении в=0,2 и тех же значениях ао =0,04 м-1; в1=0,00032, в^=0,0008 и вз=0,0016 м-1. Результаты приведены на рис. 4.
Из рис. 4 видно, что для угольных пластов с относительно низким значением динамического коэффициента затухания в увеличение расстояния г приводит к некоторому снижению амплитуды спектральных составляющих узкополосного «шума», особенно на высоких частотах. Тогда как для широкополосного «шума» даже при малом значении в увеличение г приводит к существенному уменьшению амплитуд гармоник и более сильному затуханию высокочастотных гармоник по сравнению с низкочастотными. С увеличением параметра в изменения спектров узкополосного «шума» и особенно широкополосного проявляется еще сильнее.
В табл. 1 приведены значения номера пм и частоты /м медианной гармоники, рассчитанные в соответствии с (12), для обоих типов спектра «шума» у его источника (г=0) и на удалении г. Из табл. 1 также видно, что
увеличение расстояния между источником и приемником шума от 0 до 30 м привело к изменению (уменьшению) частоты медианы узкополосного спектра «шума» для пластов со значениями динамического коэффициента затухания Дь в2 и вз соответственно на 13, 33 и 60 %. Для широкополосного спектра «шума» это же увеличение расстояния г для пластов с ви, в2 и в3 привело к изменению частоты медианы соответственно на 35, 65 и 85 %. Приведенные в табл. 1 сведения об изменении спектров «шума» получены при небольшом соотношении средних текущих и предельных напряжениях 0=0,2. Покажем, как влияет на спектр «шума» напряженное состояние - величина в.
Рис. 3. Узкополосный (а) и широкополосный (б) спектры «шума» для трех значений динамического коэффициента затухания в
при г =10 м и 0=0,2
На рис. 5 приведены графики зависимости узко- и широкополосного спектра «шума» от отношения средних текущих и предельных напряжений в и динамического коэффициента затухания в, рассчитанные в соответствии с (7), (8) и (9) для случая г=20 м. Соответствующие изменения медианы спектра приведены в табл. 2.
Приведенные данные свидетельствуют о следующем. Для узкополосного спектра при удалении сейсмоприемника от рабочего органа комбайна на 20 м увеличение отношения средних текущих и предельных напряжений в от 0,2 до 1,0 сопровождается увеличением медианной частоты /м для значений динамического коэффициента затухания в1, $2 и вз соответственно на 15,4, 16,7 и 44,4 %. Для широкополосного спектра при тех же условиях увеличение отношения средних текущих и предельных напряжений в от 0,2 до 1,0 сопровождается увеличением медианной частоты /м для значений динамического коэффициента затухания в и в2 и в3 соответственно на 18,8, 80,0 и 220,0 %.
Рис. 4. Зависимость узкополосного и широкополосного спектра «шума» от расстояния г между источником и приемником для трех значений динамического коэффициента затухания в
Таблица 1
Значения номера гармоники Пм и частоты медианы /м узкополосного и широкополосного спектра «шума» при изменении расстояния г между источником и приемником и динамического коэффициента
затухания в
г, м ви=0,00032 м-1 в2=0,0008 м-1 вз=0,0016 м-1
Пм /м, Гц Пм /м, Гц Пм /м, Гц
Узкополосный спектр
0 Пм =15; /м =300 Гц
10 14 280 12 240 12 240
20 13 260 11 220 9 180
30 13 260 10 200 6 120
Изменение /м, % 13 33 60
г, м Ш ирокополосный спектр
0 Пм =20; /м =400 Гц
10 18 360 14 280 10 200
20 16 320 10 200 5 100
30 13 260 7 140 3 60
Изменение/м, % 35 65 85
Узкополосньта спектр
• /5=0,00032
А
*--. мши
10 20 30 40 Номер гармоники 2
50
Э В-
/5=0,00032
О 10 20 30 40 Номер гармошшн I —»-6=0,2 -^6=0,5 —-6=1,0
50
/5=0,0008
Л
«им
О 10 20 30 40 50
Номер гармоншш г —- 6=0,2 —- 6=0,5 —-6=1,0
Широкополосный спектр
III* /5=0,0008
"чТ*—^ у.
—
0 10 20 30 40 50
Номер гармоники 1 —-6=0,2 -^6=0,5-^6=1,0
л /5=0,0016
А с
0 10 20 30 40 Номер гармоники г —-6=0,2 —-6=0,5 —*~в=1,0
50
/5=0,0016
кг
к; N
0 10 20 30 40 Номер гармоники ¡"
-г-6=0,2 -*-6=0,5 -»-6=1,0
50
Рис. 5. Зависимость узкополосного и широкополосного спектра «шума» от отношения средних текущих и предельных величин напряжений 0 для трех значений динамического коэффициента
затухания в при г= 20 м
Таблица 2
Значения номера гармоники Пм и частоты медианы /м узкополосного и широкополосного спектра «шума» при изменении отношения средних текущих и предельных напряжений 0 и динамического
коэффициента затухания в
в, б.е. ви=0,00032 м-1 в2=0,0008 м-1 вз=0,0016 м-1
Пм /м, Гц Пм /м, Гц Пм /м, Гц
Узкополосный спектр
0,2 13 260 12 240 9 180
0,5 14 280 13 260 12 240
1,0 15 300 14 280 13 260
Изменение/М, % 15,4 16,7 44 И
в, б.е. Ш ирокополосный спектр
0,2 16 320 10 200 5 100
0,5 18 360 16 320 11 220
1,0 19 380 18 360 16 320
Изменение/М, % 18,8 80,0 220,0
Приведенные данные свидетельствуют о том, что с ростом напряжений за счет более сильного снижения затухания высокочастотных гармоник (по сравнению со снижением затухания низкочастотных гармоник) спектра «шума» работающего оборудования медиана спектра смещается в область более высоких частот. И чем выше динамический коэффициент
затухания, тем это смещение сильнее. Основываясь на этом утверждении, можно ввести понятие текущего значения коэффициента относительных напряжений массива призабойного пространства Кон,т в форме отношения текущего значения медианы/м,т к ее предельному значению/м,пр, соответствующему равенству средних текущих и предельных напряжений
С>т &пр:
Кон т= /м т /м пр (14)
Для осуществления такого метода текущего прогноза опасности проявления ГДЯ необходимо разработать методику экспериментального определения величины/м,пр для конкретного участка горной выработки.
Заключение
1. Методы прогноза ГДЯ, использующие спектральный анализ «шума» работающего оборудования, основаны на зависимости коэффициента затухания составляющих спектра звука от горного давления. Однако помимо горного давления на спектр оказывают влияние акустические свойства массива и расстояние между источником и приемником «шума». Акустические свойства существенно зависят от структуры (параметров слоистости) массива, его пористости и трещиноватости, влажности угля. Это приводит к изменению амплитуд гармоник и ширины исходного спектра у источника «шума» и на удалении от него. Данные изменения в работе характеризовались положением медианы спектра и ее смещением под действием влияющих факторов.
2. Путем численного эксперимента показано, что увеличение расстояния между излучателем «шума» и его приемником приводит к смещению медианы спектра в область боле низких частот. И чем выше динамический коэффициент затухания гармоник и шире исходный спектр, тем это смещение сильнее.
3. Установлено, что с ростом напряжений за счет более сильного снижения затухания высокочастотных гармоник спектра «шума» работающего оборудования по сравнению со снижением затухания низкочастотных гармоник медиана спектра смещается в область боле высоких частот. И чем выше динамический коэффициент затухания гармоник и шире исходный спектр, тем это смещение сильнее.
4. Показано, что оценить изменение напряженного состояния при-забойного пространства можно коэффициентом относительных напряжений в форме отношения текущего значения медианы к ее предельному значению, соответствующему равенству средних текущих и предельных напряжений.
5. Факторами, усложняющими использование медианы для прогноза ГДЯ, так же, как и отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной компонент спектра, является зависимость коэффициента относительных напряжений помимо горного давления от расстояния между
источником и приемником «шума» и независимость от внутрипластового давления газа. Поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на поиск решений по минимизации влияния этих факторов.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» проект FWEZ-2021-0001 «Создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработка методов их предотвращения и оценки эффективности при подземной разработке угольных месторождений» (рег. № АААА-А21-121012290020-4).
Список литературы
1. Зыков В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в угольных шахтах. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2010. 33 с.
2. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И. Клишин, Л.В. Зворыгин, А.В. Лебедев, А.В. Савченко. Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. Новосибирск: Издательский Дом «Новосибирский писатель», 2011. 524 с.
3. Козырева Е.Н., Рябцев А.А. Газодинамическая активность угольного пласта и необходимость применения его дегазации // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности,
2018. №1. С. 8-13.
4. A novel robust AE/MS source location method using optimized M-estimate consensus sample / Yichao Rui [et al] // International Journal of Mining Science and Technology, 2022. Vol: 32. Issue: 4. Page: 779-791.
5. Watanabe Y., Nakajima J. The application of AE techniques as a forecasting method to the rock and gas outburst in coal mine // XIX International conference of research institutes in safety in mines. Katowice, Poland, 1981. P.564-573.
6. Coal and gas outburst dynamic system / C.J. Fan, S. Li, M.K. Luo, W.Z. Du Z.H. // International Journal of Mining Science and Technology, 2017. №1. P. 49-55.
7. Black D.J. Review of coal and gas outburst in Australian underground coal mines // International Journal of Mining Science and Technology,
2019. Vol. 29. Issue 6. Р. 815-824.
8. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». М.: ЗАО «НТЦ ПБ», 2021. Сер. 5. Вып. 49. 128 с.
9. Spatio-temporal assessments of rockburst hazard combining b values and seismic tomography / Jing Li [et al.] // Acta Geophysica, March 2017, Volume 65, Issue 1, pp 77—88|. DOI: 10.1007/s11600-017-0008-y
10., Lin-Ming Dou, Hui Liu, Hai-Shun Liu, , Bin-Bin Du. Case study on microseismic effect of coal and gas outburst process / Cai-Ping Lu [et al.] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, July 2012. Volume 53. Pages 101-110.
11. Mining-induced static and dynamic loading rate effect on rock damage and acoustic emission characteristic under uniaxial / Anye Cao [et al.] // Safety Science. Volume 116, July 2019.
12. A fuzzy comprehensive evaluation methodology for rock burst forecasting using microseismic monitoring / Wu Cai [et al.] // Tunnelling and Underground Space Technology. October 2018. Volume 80. Pages 232-245.
13. A review of the influencing factors on teleseismic traveltime tomography / Pan Y [et al.] // Earthq Sci 36(3), 2023: 202). P.228-253.
14. Шадрин А.В., Клишин В.И. Комбинация подсистем многофункциональной системы безопасности шахты для прогноза динамических явлений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 1. С. 81-104.
15. Геомеханический мониторинг методом анализа конвергенции: прогноз вероятности горных ударов и участков их проявления в лавах / M. Reuter, M. Crash, W. Kiessling, Yu. Veksler // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: науч. журнал. Сиб. гос. индустр. ун-т; под общей ред. В.Н. Фрянова. Новокузнецк, 2018. №4. С.17-22.
16. A Shadrin, Yu Diyuk. Geophysical criterion of pre-outburst coal outsqueezing from the face space into the working // International Journal of Mining Science and Technology, 2018.
17. Шадрин А.В., Контримас А.А., Телегуз А.С. Сравнительный анализ вариантов исполнения спектрально-акустического метода прогноза динамических явлений // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: науч. журнал / Сиб. гос. индустр. ун -т; под общей ред. В.Н. Фрянова. Новокузнецк, 2018. №4. С.370-375.
18. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасно-сти угольных пластов: пат. 2661498 РФ. Бюл. 2018. №20.
19. Ноздрев В.Ф. Молекулярная акустика. М.: Высшая школа, 1974. 288 с.
20. Новик Г.Я., Ржевская С.В. Физико-техническое обеспечение горного производства. М.: Недра, 1995. 256 с.
21. Король В.И. Скобенко А.В. Акустический способ прогноза газодинамических явлений в угольных шахтах. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2013. 181 с.
22. Мирер С.В., Хмара О.И., Шадрин А.В. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности угольных пластов. М.; Кемерово: Куз-бассвузиздат, 1999. 92 с.
23. Иванов П. Н., Безруков В. И. Экспериментальное исследование упругих свойств углей различной степени тектонической нарушенности методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 4-1. С. 26—40.
24. Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в угольных шахтах. К.: «Наук. думка», 1976. 224 с.
25. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1984. 359 с.
26. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
343 с.
27. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. М.: Недра, 1999. 199 с.
Шадрин Александр Васильевич, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., [email protected], Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и угле-химии Сибирского отделения Российской академии наук
THE INFLUENCE OF THE COMBINE "NOISE" INITIAL SPECTRUM SHAPE,
THE REMOVAL OF THE SEISMIC RECEIVER FROM COMBINE AND THE MOUNTAIN PRESSURE TO THE MEDIAN OF THE "NOISE" SPECTRUM
A.V. Shadrin,
The results of the study of the influence of rock pressure, the shape of the output spectrum of the "noise " of the combine, on its median at different distances of the seismic receiver from the bottom of the preparatory mine are presented. By numerical experiment, it is shown that an increase in the distance between the "noise" emitter and its receiver leads to a shift in the median of the spectrum to the region of lower frequencies. And the higher the dynamic coefficient of harmonic attenuation and the wider the initial spectrum of "noise ", the stronger this bias is. It has also been found that with an increase in mountain pressure due to a stronger decrease in the attenuation of high-frequency harmonics of the "noise" spectrum of operating equipment compared with a decrease in the attenuation of low-frequency harmonics, the median of the spectrum shifts to the region of higher frequencies. And the higher the dynamic coefficient of harmonic attenuation and the wider the initial spectrum of "noise", the stronger this bias is. It is proposed to use this circumstance as an indicator of danger. The factors complicating the use of the median for the current forecast of geodynamic phenomena are its dependence, in addition to mountain pressure, on the distance between the source and receiver of "noise " and not dependence on the intra-stratum pressure of gas and the strength of coal. Therefore, further research should be aimed at finding solutions to minimize the impact of these factors on the outcome of the forecast.
Key words: median of the "noise " spectrum of the combine, rock pressure, removal of the seismic receiver, forecast of geodynamic phenomena.
Shadrin Alexander Vasilyevich, doctor of technical sciences, chief of science. comp., [email protected], Russia, Kemerovo, Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Zykov V.S. Sudden emissions of coal and gas and other gas-dynamic phenomena in coal mines. Kemerovo: Institute of Coal and Coal Chemistry SB RAS, 2010. 33 p.
2. Safety problems and new technologies of underground mining of coal deposits / V.I. Klishin, L.V. Zvorygin, A.V. Lebedev, A.V. Savchenko. Russian Academy of Sciences. Sciences, Sib. Department, Institute of Mining. Novosibirsk: Publishing house "Novosibirsk writer", 2011. 524 p.
3. Kozyreva E.N., Ryabtsev A.A. Gas-dynamic activity of a coal seam and the need to use its degassing // Bulletin of the Scientific Center for work safety in the coal industry, 2018. No.1. pp. 8-13.
4. A novel robust AE/MS source location method using optimized M-estimate consensus sample / Yichao Rui [et al.] // International Journal of Mining Science and Technology, 2022. Vol: 32. Issue: 4. Page: 779-791.
5. Watanabe Y., Nakajima J. The application of AE techniques as a forecasting method to the rock and gas outburst in coal mine // XIX In-ternational conference of research institutes in safety in mines. Katowice, Poland, 1981. P.564-573.
6. Coal and gas outburst dynamic system / C.J. Fan, S. Li, M.K. Luo, W.Z. Du Z.H. // International Journal of Mining Science and Tech-nology, 2017. No.1. P. 49-55.
7. Black D.J. Review of coal and gas outburst in Australian under-ground coal mines // International Journal of Mining Science and Technol-ogy, 2019. Vol. 29. Issue 6. pp.815-824.
8. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prediction of dynamic phenomena and monitoring of rock mass during mining of coal deposits". Moscow: CJSC STC PB, 2021. Ser. 05. Issue 49. 128 p.
9. Spatio-temporal assessments of rockburst hazard combining b values and seismic tomography / Jing Li [et al.] // Acta Geophysica, March 2017, Volume 65, Issue 1, pp 77-88|. DOI: 10.1007/s11600-017-0008-y
10., Lin-Ming Dou, Hui Liu, Hai-Shun Liu, , Bin-Bin Du. Case study on microseismic effect of coal and gas outburst process / Cai-Ping Lu [et al.] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Scienc-es, July 2012. Volume 53. Pages 101-110.
11. Mining-induced static and dynamic loading rate effect on rock damage and acoustic emission characteristic under uniaxial / Anye Cao [et al.] // Safety Science. Volume 116, July 2019.
12. A fuzzy comprehensive evaluation methodology for rock burst forecasting using microseismic monitoring / Wu Cai [et al.] // Tunnelling and Underground Space Technology. October 2018. Volume 80. Pages 232-245.
13. A review of the influencing factors on teleseismatic traveltime tomography / Pan Y [et al.] // Earthq Sci 36(3), 2023: 202). P.228-253.
14. Shadrin A.V., Klishin V.I. Combination of subsystems of a multifunctional mine safety system for forecasting of dynamic phenomena // Proceedings of the Tula State University. Earth Sciences. 2023. Issue 1. pp. 81-104.
15. Geomechanical monitoring by convergence analysis: prediction of the probability of mountain impacts and areas of their manifestation in lavas / M. Reuter, M. Crash, W. Kiessling, Yu. Veksler // High-tech technologies for the development and use of mineral
resources: scientific journal. Sib. gosudarstvenny industry Univ.; under the general editorship of V.N. Fryanov. Novokuznetsk, 2018. No.4. pp.17-22.
16. A Shadrin, Yu Diyuk. Geophysical criterion of pre-outburst coal outsqueezing from the face space into the working // International Journal of Mining Science and Technology, 2018. H
17. Shadrin A.V., Kontrimas A.A., Teleguz A.S. Comparative analysis of variants of the spectral-acoustic method of forecasting dynamic phenomena // High-tech technologies for the development and use of mineral resources: scientific journal / Siberian State Institute. Univ.; under the general editorship of V.N. Fryanov. Novokuznetsk, 2018. No.4. pp.370375.
18. Method of spectral-acoustic prediction of coal seam emissions: pat. 2661498 RF. Byul. 2018. No.20.
19. Nozdrev V.F. Molecular acoustics. M.: Higher School, 1974. 288 p.
20. Novik G.Ya., Rzhevskaya S.V. Physical and technical support of mining production. M.: Nedra, 1995. 256 p.
21. Korol V.I. Skobenko A.V. Acoustic method of forecasting gas dynamic phenomena in coal mines. Dnepropetrovsk: National Mining University, 2013. 181 p.
22. Mirer S.V., Khmara O.I., Shadrin A.V. Spectral and acoustic forecast of the emission hazard of coal seams. M. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 1999. 92 p.
23. Ivanov P. N., Bezrukov V. I. Experimental investigation of the elastic properties of coals of various degrees of tectonic disturbance by laser-ultrasonic spectroscopy // Mining information and analytical bulletin. 2021. No. 4-1. pp. 26-40.
24. Glushko V.T., Yamshchikov V.S., Yalansky A.A. Geophysical control in coal mines. K.: "Sciences. dumka", 19768. 224 p.
25. Rzhevsky V.V., Novik G.Ya. Fundamentals of rock physics. M.: Nedra, 1984.
359 p.
26. Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. Moscow: Nauka, 1973. 343 p.
27. Azarov N.Ya., Yakovlev D.V. Seismoacoustic method of forecasting mining and geological operating conditions of coal deposits. M.: Nedra, 1999. 199 p.
