CC BY
32
— Коротко об авторах -----------------------
Бритков Н.А., Семенова Л.Н., ЕфремоваМ.Д. - ИГД СО РАН.
------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА
МИХАЙЛОВ Александр Викторович Повышение эффективности машин для добычи фрезерного торфа с пооперационно адаптированными щеточными рабочими органами 05.05.06 д.т.н.
© П.Ф. Сидоренко, 2005
УДК 550. 83: 519.86 П.Ф. Сидоренко
ВЫЯВЛЕНИЕ В УГЛЕВМЕЩАЮЩЕМ МАССИВЕ ОБЪЕКТОВ С НИЗКИМИ АКУСТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И КОНТРОЛЬ ИХ СОСТОЯНИЯ МЕТОДАМИ ГЕОАКУСТИКИ
Семинар № 2
~П углевмещающем массиве горных по-
-О род имеют место геологические и техногенные объекты с низкими акустическими свойствами. К таким геологическим объектам относятся угольные пласты, карстовые пустоты, зоны повышенной трещиноватости и др., к техногенным - скважины различного назначения, подземные горные выработки, различные подземные и приповерхностные сооружения.
Перечень последствий негативного влияния этих объектов при разработке угольных пластов достаточно велик. Это деформации крепи, обрушения пород непосредственной кровли, завалы, обводнение и пр. проходческих и очистных горных выработках [4, 10]. Поэтому выявление таких объектов и контроль параметров, описывающих и характеризующих их со-
стояние во времени и пространстве, является важной задачей для повышения экономической эффективности и безопасности горных работ.
При прогнозировании горно-геологических условий отработки угольных пластов к числу основных факторов, на которые влияют данные объекты, относятся, прежде всего, устойчивость и обрушаемость горных пород. Кроме того, контроль пространственного местоположения угольных пластов и пропластков позволяет прогнозировать наличие, протяженность и элементы залегания малоамплитудной нарушенности [1, 3, 5, 6].
В практике горно-геологического прогнозирования этих факторов набольшую эффективность и достоверность имеют прогнозы, разработанные по результатам комплексного использования геологических и шахтных гео-
физических методов исследования, в частности, методов геоакустики.
Среди геоакустических методов используются методы геоакустических спектральных исследований (ГСИ), последовательного геоакусти-ческого зондирования (ПГЗ), спектральносейсморазведочного профилирования (ССП) [1, 3, 8].
Все представленные геоакустические методы основаны на спектральном анализе колебательного процесса, возникающего в слоистых средах горного массива от импульсного источника возбуждения. При этом зависимость между спектральным составом длительного колебательного процесса, составляющего сейсмосигнал, и геологическим строением в точке ударного воздействия имеет вид:
г Усдв
^ оі і ’
К
где /0і - і-я гармоническая составляющая сейсмосигнала; Усдв - скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний; Кі - і-й размер, в частности, глубина залегания соответствующей границы.
Собственные упругие колебания в горных породах при этом возникают на поперечных волнах со скоростью практически постоянной, не более чем на 10 % отличающейся от 2500 м/с [3].
Метод ГСИ на практике используется в основном для оценки устойчивости горных пород непосредственной кровли угольного пласта, где углевмещающая толща может рассматриваться как совокупность плоскопараллельных структур. Каждый слой отделен друг от друга поверхностями, представляющими собой контакты литологических разностей пород, угольные прослои, тектонические трещины. При ударном воздействии на породы кровли горной выработки в массиве распространяется звуковая волна, которая при наличии такой поверхности отражается от нее, а в слое возникает затухающий гармонический процесс на собственной частоте. Такие поверхности называются поверхностями ослабленного механического контакта (ОМК). Возникающий в слоях импульсный резонансный сигнал регистрируется аппаратурой типа «Резонанс». При известных значениях скорости распространения упругих колебаний в углевмещающем массиве, используя зависимость частоты резонансного сигнала от мощности прозвучиваемо-го слоя, можно определить местоположение по-
верхности ОМК в вертикальном разрезе (И), используя вышеприведенную формулу.
Кроме собственной частоты слоя-резонатора аппаратурой фиксируется амплитуда резонансного сигнала, которая может превышать амплитуду начального импульса. Это превышение определяется добротностью возбуждаемой ударно-колебательной системы, которая определяется величиной плотности спектра на собственной частоте слоя и характеризует величину силы сцепления пород по поверхности ОМК. Величина добротности позволяет оценить степень сцепления поверхностей. Причем чем больше значение добротности, тем меньше сила сцепления между слоями контактирующих пород [5, 6].
Пункты замеров располагаются в горной выработке на определенном расстоянии друг от друга в зависимости от заданной детальности исследований, обычно через 20-50м. После проведения в горной выработке необходимого количества исследований по результатам ГСИ вдоль оси горной выработки составляется гео-акустический разрез, представляющий собой вертикальный разрез в заданном масштабе, на котором отстроены поверхности ОМК с данными о силе межслоевого сцепления. Геологическая интерпретация этого разреза и данные о количестве, пространственном положении поверхностей ОМК и силе сцепления между слоями позволяют классифицировать породы непосредственной кровли по устойчивости и точно определять границы зон их распространения.
К достоинствам метода можно отнести возможность проведения исследования практически в любой точке любой горной выработки с удовлетворительными горно-
техническими условиями, простота методики проведения исследований, возможность выполнения большого объема исследований при магнитной или цифровой записи сигнала. Разрешающая способность метода до 30 м в породах кровли и подошвы горной выработки. Она зависит от типа используемой аппаратуры и состояния горной выработки.
Недостатком метода являются невозможность однозначного литологического распознавания разреза пород при геологической интерпретации геоакустического разреза, так как интерпретация производится путем сопоставления местонахождения поверхностей ОМК с геологическим разрезом, составленным по ближайшим разведочным скважинам или гео-
Рис. 1. Графики АЧХ резонансного сигнала-отклика массива при ПГЗ: а) с ШИМ = 1/3 мощности угольного пласта, б) с ШИМ <1/3 мощности пласта. в) с ШИМ > мощности пласта. г) с ШИМ = мощности пласта
логическим зарисовкам пород в горных выработках.
Данная задача была успешно решена для объектов с низкими акустическими свойствами методом ПГЗ. Этот метод основан на известном положении о том, что объекты с низкими акустическими свойствами являются акустическим изолятором, в которых не может возникать резонансный сигнал [5, 6]. Поэтому при их вовлечении в исследуемую базу они на спектрограмме проявляются участками с пониженными значениями плотности спектра. При анализе спектрограммы такие объекты легко распознаются с определением количественных характеристик, их описывающих (глубина залегания, мощность, угол наклона плоскостей).
Проведение последовательного геоакусти-ческого зондирования в массиве горных пород обеспечивается дискретным изменением частоты регистрации акустического сигнала аппаратурой «Резонанс МК». Аппаратура представляет собой портативный одноканальный спектрограф в шахтном исполнении, позволяющий исследовать спектр импульсного сигнала в диапазоне частот от 50 Гц, до 13 кГц, с минимальным шагом 10 Гц.
Для определения местонахождения и мощности объекта с низкими акустическими свойствами, например, угольного пласта, частота дискретизации принимаемого акустического сигнала рассчитывается таким образом, чтобы каждое ее последующее изменение обеспечивало вовлечение в исследуемую базу части массива горных пород определенной мощности.
Связанный с частотой дискретизации шаг изменения мощности прозвучиваемого слоя (ШИМ) определяет количество точек на частотной оси спектрограммы. Расчет ШИМ производится, исходя из мощности исследуемого угольного пласта по формуле:
ШИМ = m / 3,
где m - предполагаемая или заданная мощность угольного пласта в метрах.
На основании большого количества шахтных геоакустических исследований, проведенных методом ПГЗ, были выявлены основные критерии, позволяющие определять местоположение угольного пласта в углевмещающем массиве горных пород, а также его мощность по форме кривой спектрограммы акустического сигнала в зависимости от величины ШИМ. Так, угольный пласт на спектрограмме может отбиваться:
- участком скачкообразного уменьшения плотности спектра, имеющего U-образную форму кривой (рис. 1, а);
Рис. 2. Схема зональности распределения опорного давления в проходческой выработке при работе лавы. I - на участке первичной посадки основной и непосредственной кровли; II- на участке периодической осадки непосредственной кровли:
Г - точки ГСИ;
слоистостью пород, возможность их выявления находится в определенной зависимости от степени прижима слоев контактирующих ^ежду собой. В то же время сила прижима между слоями над горной выработкой зависит от ве-
— • — • — - граница участка I;
^ ^ - граница участка II;
- выработанное пространство лавы:
Р1, Р2 - зоны влияния опорного давления впереди и позади забоя лавы соответственно
геред
1
- пилообразной формой кривой, по которой трудно определить исследуемые параметры угольного пласта (рис. 1, б);
- участком со значительным уменыне: величины амплитудных значений в точке его местонахождения по отношению к рядом стоящей (рис. 1, в);
- площадкой, образованной как минимум двумя рядом стоящими точкам замеров, имеющими примерно одинаковые амплитудные значения (рис. 1 г).
Критерий, при котором объект с низкими акустическими свойствами определяется и-образной формой спектрограммы, является наиболее информативным для решения задачи определения местоположения и мощности [8].
Метод ПГЗ применялся для определения амплитуды и элементов залегания нарушений угольного пласта, устойчивости и обрушаемо-сти углевмещающих пород в случае, эти факторы связаны с наличием в кровле объектов с пониженными акустическими свойствами.
Опыт применение метода ПГЗ при решении наиболее сложной геологической задачи картирования малоамплитудных тектонических нарушений на шахтах Восточного Донбасса позволил достичь высокой точности (±5 %) и достоверности (85-95 %) определений [8].
В случае, если оценка устойчивости и об-рушаемости пород кровли производится с учетом ОМК, связанных с трещиноватостъю и
УКЛОН 53[ЧИНЬ1 оп°Рног° давления, особенно если это проходческая выработка, и она находится в непосредственной близости от действующей очистной выработки [9].
^Тзвестно, что дл^каждого момен'уЕГщэеме-ни вн8 зависимости о^ способа поддержания штрека существуют как минимум две зоны влияния опорного давления впереди и позади 1/Еь*# в пределах которых геоакустиче-рЬэре* не может иметь достоверной информации. Так, ширина зоны влияния впереди забоя лавы может колебаться от 10 до 250 м, а позади - от 40 до 200 м [2, 9, 11].
Степень влияния величины опорного давления на результаты геоакустических исследований, проводимых в подготовительных горных выработках, зависит от горногеологических и горно-технических условий на участке исследований. Это и расстояние до забоя очистной выработки, физико-механических свойства вмещающих её горных пород, геологическое строение разреза, глубина залегания и пр.
Поэтому необходимо проведение геоаку-стических исследований в режиме мониторинга в первую очередь на участках возможного возникновения опорного давления (до начала очистных работ, подработки или надработки сближенных пластов и пр.). При этом количество точек ГСИ и расстояние между ними необходимо рассчитывать с учётом параметров первичных и периодических осадок, для чего необходимо иметь как минимум по 3 точки на 20 м протяженности зон влияния опорного давления как впереди, так и позади очистного забоя.
рР<
2
Так, в проходческих выработках, оконту-ривающих лаву № 51ш («Ленинская ГКХ Свердловантрацит» Украина) по данным ГСИ максимальная протяженность зоны влияния впереди очистного забоя (зона - Р1) составила 30-35 м (при вторичной периодической осадке пород непосредственной кровли), минимальная
- 20 м. Для зон влияния позади очистного забоя (зона - Р2) максимальная протяженность составила 50 м, минимальная - 20 м (рис. 2).
Исследования проводились на глубине 560 м по антрацитовому угольному пласту мощностью 0,7-0,8 м, с нижней подрывкой, сечением 7,9 м2, закрепленной анкерной крепью, навстречу забою лавы длиной 150 м, отрабатывающей запасы по столбовой системе, породы непосредственной и нижней части основной кровли были представлены сланцем песчаным мощностью 11,3 м. Выше залегал слой песчаника мощностью 10 м. Шаг первичной посадки пород непосредственной кровли в данных горно-геологических условиях равен 40-45 м, вторичной - 15-20 м. Посадка основной кровли в лавах, отрабатывающих запасы, в данных условиях отмечена не была [8].
При разработке методики ГСИ этом на этапе сбора информации по участку исследований необходимо иметь данные о возможности возникновения источников повышенного давления над проходческой выработкой (охранные целики, отработанные сближенные пласты, действующие очистные забои).
С учетом анализа априорной информации и опыта предшествующих работ на данном уча-
1. Андреев В.П., Гликман А.Г. Геоакустический метод выявления по верхностей ослабленных механических контактов. // "Уголь". - 1985. - N 9. - С. 52-5.
2. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980. - 360 с.
3. Гликман А.Г. Применение спектральносейсморазведочного профилирования (ССП) для поисков месторождений полезных ископаемых.// "Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений". - 2001. - N 3. - с. 31-35
4. Кобилев А.Г., Лазарев В.С., Лось ММ. Прогноз устойчивости пород кровли угольных пластов в Восточном Донбассе // Природные и трудовые ресурсы Левобережной Украины и их использование. / М.,1973,-Т.12, ч.3. - С. 15-22.
стке при отходе лавы на расстояние 45 м (участок I) расстояние между точками ГСИ должна составлять 7-8 м, количество точек - 4-5, для зоны Р1 а, для зоны Р2 - 7. Для участка II в зоне Р1 и в зоне Р2 минимальное количество точек ГСИ должно быть не менее трех.
Для целей оперативного выявления структурных особенностей углевмещающей толщи и литологического расчленения геологического разреза при геоакустических исследованиях наиболее эффективной по затратам времени, достоверности и оперативности решения задачи является метод обработки на ЭВМ оцифрованного сигнала, записанного ранее в аналоговом виде на магнитную ленту. При этом возможно использование различных методов математического анализа, открывающих новые возможности частотной фильтрации сигнала.
Анализ и интерпретация амплитудночастотных характеристик резонансного сигнала-отклика слоя после их оцифровки производится с использованием ЭВМ. Математическая обработка осуществляется с применением алгоритмов преобразований Фурье, в том числе БПФ, автокорреляционного и мелковолнового анализа (вейвлет-анализ). Наиболее перспективным, особенно при обработки данных ПГЗ, является вейвлет-анализ, который отличается повышенной быстротой обработки сигнала, простотой алгоритмизации и наиболее применим для решения задачи реконструкции геологического разреза по геоакустическому образу.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Методические рекомендации по применению и испытанию аппаратуры «Резонанс». Л. ВНИМИ, 1985, 68с. Составители: А.Г. Гликман, В. Л. Казакова, В.П. Ов-чаренко и др.
6. Методика «Резонанс»- Донецк, 1990, 47с. НПК «Искра», Составители: Коган Э.Г. и др.
7. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общ. ред. В.А. Букрин-ского, Г.В. Орлова. - М.: Недра, 1984.-247 с.
8. Сидоренко П.Ф., Третьяк А.Я., Денисенко В.В., Чут С.Н., Худолей Н.Н. Определение местоположения угольного пласта в вертикальном разрезе углевмещающей толщи методом геоакустических спектральных исследований. Изв. вузов, Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки, -1999. - № 4. - С. 81-84
9. Сидоренко П.Ф., Третьяк А.Я., И.А. Богуш И.А., Никишина Е.В. Влияние очистных выработок на результаты геоакустических исследований в подготовительной выработке Изв. вузов, Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки, -2001. - №2. - С. 92-95.
10. Шаульский А.К. Геологическое прогнозирование труднообрушаемой кровли.//Уголь. - 1977. - N10. - С. 69-70.
11. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. - М.: Недра, 1987. - 566 с.
— Коротко об авторах
Сидоренко П.Ф. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет.
-------ф
^-------
-------------------------------------- © В.В. Гарнов, Б.Г. Горюнов,
А. В. Адушкин, 2005
УДК 551.594
В.В. Гарнов, Б.Г. Горюнов, А.В. Адушкин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕФОРМОГРАФОВ С БОЛЬШОЙ БАЗОЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 2
Введение
ри изучении геомеханических процессов значительное внимание уделяется наблюдениям деформации среды, что позволяет следить за состоянием и динамикой развития различных геофизических явлений.
При проходке горных выработок возникает необходимость в оценке их прочностных характеристик, особенно, при наличии техногенных нагрузок. В этом случае для измерения смещений и деформаций используются различные геофизические и геодезические мето-
ды, требующие участия оператора [1]. При наличии значительной трещиноватости вдоль выработки деформацию удается проконтролировать длиннобазовыми деформографами, которые позволяют проводить измерения в пределах выбранной базы прибора. Известно применение интерференционных деформографов и штанговых приборов с жесткой базой, которые работают в стационарных условиях и требуют специальных условий для их размещения [2].
