Лабораторное тестирование технических средств системы геотомографического мониторинга газоносных угольных пластов

© А.П. Аверин, Д.И. Блохин, 2012

УДК 622.02:531

А.П. Аверин, Д.И. Блохин

ЛАБОРАТОРНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ ГЕОТОМОГРАФИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Описан лабораторный комплекс для тестирования технических средств системы геотомографического мониторинга газоносных угольных пластов. Представлены результаты синхронной регистрации параметров сейсмоакустических и терморадиационных измерений при одноосном деформировании образцов угля. Сделан вывод об эффективности комплексирования эмиссионных измерений различной физической природы для диагностики локальных проявлений негативных динамических явлений в разрабатываемом угольном массиве.

Ключевые слова: газоносный угольный пласт, геотомографический мониторинг, динамические процессы, сейсмоакустические и терморадиационные измерения, лабораторное моделирование.

Обеспечение безопасности при освоении подземного пространства горнодобывающих предприятий в значительной степени зависит от своевременной идентификации критических изменений напряженно-деформированного состояния разрабатываемого геомассива. Одним из способов получения такой информации является использование в современных системах геомониторинга физических методов, основанных на регистрации и измерениях характеристик излучений различной природы (электромагнитные, акустические и т.д.), сопровождающих динамические процессы в горных выработках [1 — 4].

Указанные методы в свою очередь имеют модификации, которые позволяют решать широкий круг задач, связанных с горным производством и в частности с оценкой напряженно-деформированного состояния массива, прогнозированием мест локализации и размеров очагов критических деформаций и т.д. [1 — 4]. Вместе с тем, характерной особенностью при-

меняемых на практике методик геофизического мониторинга является сложность и неоднозначность физических моделей, связывающих вариации определяемых величин и непосредственных результатов измерений. Одним из путей, позволяющих частично преодолеть обозначенные трудности, является разработка методик, основанных на комплексном использовании различных физических эффектов, сопровождающих активизацию негативных динамических процессов в разрабатываемых массивах

[1 — 4].

В настоящем сообщении, описывается лабораторный комплекс, предназначенный для тестирования технических средств, используемых в системе геотомографического мониторинга газоносных угольных пластов, разрабатываемой в ООО «Инситу».

Разработанные технические средства геотомографического контроля позволяют регистрировать следующие физические параметры, сопровождающие опасные геодинамические

П 50 100 150 20G

t, С

Рис. 1. Пример экспериментальных результатов измерений выходных сигналов комплекса геотомографического мониторинга: 1 — P

процессы при разработке газоносных угольных пластов:

• сейсмическую вибрацию в диапазоне частот от 1 Гц до 200 Гц с интенсивностью излучения от 102 до 108 Дж;

• сейсмоакустическое эмиссию в диапазоне частот от 28 Гц до 2 КГц с интенсивностью излучения от 0,1 до102 Дж;

• терморадиационную эмиссию в диапазоне 20 ТГц до 150 ТГц с интенсивностью излучения от 2 до 200 Вт/м2.

Необходимым методическим элементом тестирования и проверки эффективности технических средств измерений является получение в модельных опытах синхронных записей эволюции во времени функций, непосредственно связанных с изменениями во времени механических напряжений и соответствующих записей акустических и терморадиационных (ИК -) сигналов.

В состав лабораторного комплекса входит испытательный стенд, созданный на базе испытательной машины

¡НБТНОН 300 ЭХ, обеспечивающий выполнение следующих функций:

• моделирование проявлений горного давления в угольном пласте;

• синхронное измерение изменений во времени сейсмических, сейс-моакустических, терморадиационных и механических параметров при испытаниях образцов, моделирующих объемы газоносного угля;

• обеспечение приема — передачи, хранения и визуализации регистрируемых данных.

В выполненных экспериментах использовались образцы угля, отобранные с шахт Воркутинского угольного бассейна. На рис. 1 для одного из ис-пытывавшихся образцов представлены зависимости от времени сигналов сейсмоакустического и терморадиационного датчиков и датчика нагрузки. Анализ полученных записей сигналов позволяет выявить некоторые особенности деформирования исследуемого образца.

Так, при монотонном возрастании нагрузки в четко фиксируемой по виду графика ИК — сигнала точке

происходит резкое изменение скорости изменения этого графика, т.е. интенсивность ИК — излучения в этой точке начинает возрастать быстрее, чем это следует из соотношений для линейной термоупругости [5]. При возрастании уровня нагрузки, когда деформации материала образца выходят за пределы упругости, внутри него начинают развиваться нелинейные диссипативные процессы, в условиях которых возрастание температуры и, соответственно, приращения интенсивности ИК — излучения оказывается более значимыми, чем в упругой области [6]. Указанный нелинейный участок, соответствующий деформациям образца за пределом упругости, заканчивается резким падением значений интенсивности теплового излучения (точка £2), которое, по — видимому, соответствует разуплотнению образца при его дезинтеграции. Сопоставляя графики изменений нагрузки и интенсивности ИК — излучения можно сделать вывод, что момент времени, соответствующий указанному выше «обрыву» графика ИК — сигнала пределу прочности образца. Также можно предположить, что момент времени соответствующий изменению наклона графика соответствует пределу упругости образца.

Резкое возрастание значений вариаций теплового излучения за некоторое время до достижения предела прочности может служить прогностическим признаком приближающихся катастрофических (необратимых) деструктивных процессов в газоносных угольных пластах.

Рассмотрим поведение графика Б@) в зависимости от времени при синхронном изменении нагрузки, показанном также на рис. 1. Сильный

всплеск энергии сейсмоакустических импульсов при малых нагрузках («при-грузке») вызван, по-видимому, притиркой элементов нагрузочного устройства к горизонтальным поверхностям образца, далее значения Б@) незначительны и практически стационарны вплоть до момента и, по-видимому, соответствующему концу линейно-упругой зоны деформирования. Далее следует участок резкого роста значений Б@) вплоть до момента 2 соответствующего достижению напряжением в образце предела прочности.

Таким образом, показано, что совместный анализ графиков изменений во времени показаний сейсмоакусти-ческого и терморадиационного датчиков позволяет идентифицировать зависимости от времени изменений напряжений в образцах угля не только в зоне линейного деформирования, но и при нагрузках, близких к разрушающим.

Не вызывает сомнений, что построение системы мониторинга, использующей одновременную регистрацию сигналов сейсмоакустических и терморадиационных измерений, позволит использовать в одной и той же системе преимущества и дополнительные возможности каждого из указанных методов. Такое комплексиро-вание не только определяет возможность взаимного тестирования результатов диагностики, но и открывает пути к повышению достоверности предсказаний возможной активизации негативных динамических процессов в газоносных угольных пластах.

Исследования выполнялись в ходе реализации Государственного контракта № 16.515.12.5003 от 22.09.2012 г. по теме «Исследование и разработка геотомографических

методов контроля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт — горная машина» для снижения рисков техногенных аварий при добыче угля» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приори-

1. Прогноз и предотвращение горных уларов на рудниках / Под ред. Петухова И.М., Ильина A.M., Трубецкого К.Н. — М.: Издательство АГН. — 1997. — 376 с.

2. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. — Новосибирск: Издательство СО РАН. — 2000.

3. Блохин Д.И., Кубрин С.С., Шейнин В.И. Опыгг и перспективы применения методов и средств ИК — радиометрической диагностики для геомеханического мониторинга разрабатываемого массива горных пород // Уголь. — 2008. — № 10. — С. 26 — 27.

тетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Кубрин С. С. Комплексный синтезирующий геофизический мониторинг горного массива // Горный информационно — аналитический бюллетень. — 2012. — №. 5. — С. 145 — 152.

5. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Т. 2. — М.: Мир. 1969.

6. Балуева М.А., Блохин Д.И., Сава-торова В.Л., Талонов A.B., Шейнин В.И. Моделирование влияния микротрещин в геоматериалах на изменения их температуры при деформировании // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2009. — № 6. — С. 65 — 70. 1Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Аверин Андрей Петрович — кандидат технических наук, главный инженер ООО «Инситу», е-шаП: mos.insitu@gmail.com,

Блохин Дмитрий Иванович — кандидат технических наук, доцент, е-шаП: dblokhin@yandex.ru. Московский государственный горный университет,

ГОРНАЯ КНИГА-2012 -

Проектирование и организация взрывных работ

Б.Н. Кутузов, В.А. Белин Год: 2012 Страниц: 416 ISBN: 978-5-98672-283-2 UDK: 622.233:622.235

Приведены основные положения проектирования взрывных работ в горнодобывающей промышленности, гидротехническом, промышленном и гражданском строительстве, в сельском и лесном хозяйстве, на болотах и реках, при ремонтах доменных и мартеновских печей, разрушении металлических конструкций. Изложены данные по расчету опасное зоны, параметров расположения зарядов, а также подготовке проектной документации.