Прогноз процессов дегазации на основе сейсмоакустического и сейсмического мониторинга выемочного столба

© В.Д. Муханов, 2012

УДК 622.8 В.Д. Муханов

ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ НА ОСНОВЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОГО И СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЫЕМОЧНОГО СТОЛБА

Рассмотрена возможность применения сейсмоакустического мониторинга для прогнозирования проведения процессов дегазации в выемочном участке. Так же освещены особенности распространения сейсмоакустических импульсов в пласте и методы их анализа для составления прогноза.

Ключевые слова: дегазация, сейсмоакустический мониторинг, угольный пласт, вы-зрывоопасность, акустические импульсы.

Проблема обеспечения безопасных условий ведения горных работ по газовому фактору для газообильных предприятий горнодобывающей отрасли является одной из приоритетных. Основными способами борьбы со скоплениями вредных и опасных газов являются вентиляция горных выработок, направленная на поддержание допустимого содержания газа по всему их объему, и дегазация основных источников газовыделения.

Вопросам обеспечения метанобе-зопасности в угольных шахтах уделяется все большее внимание, и особое место при этом отводится местным скоплениям метана. Однако постоянный рост показателей аварийности и травматизма указывает на отсутствие достаточно эффективных средств предупреждения и ликвидации зага-зирований выработок, что существенно снижает безопасность и производительность труда.

Один из способов повысить эффективность и своевременность дегазации выемочного участка — сейсмоакустический мониторинг. С помощью специализированной аппаратуры можно воспринимать, транслировать и регистрировать сейсмоакустические

импульсы, сопровождающие процесс трещинообразования в призабойной части угольного пласта при перераспределении в нем напряжений. Физической основой прогноза выбросо-опасности является оценка равномерности в перераспределении напряжений при движении очистного забоя в пространстве [1]. Технология сейсмоакустического прогноза необходимости проведения дегазации предусматривает непрерывные наблюдения за акустической эмиссией угольного пласта. Эти наблюдения практически ведутся с поверхности; работы в шахте сводятся к установке датчиков (сейсмоприемников) в угольном массиве и прокладке соединительных линий от датчиков до приемо-регистрирующей аппаратуры, расположенной на поверхности. Процесс получения исходной для прогноза информации не влияет на ход технологических операций производственного цикла в забое.

Сейсмоакустическая аппаратура регистрирует не только случаи тре-щинообразования, но и все производственные процессы в забое: работу выемочных механизмов, бурильных установок, работы по креплению и т.п. [2, 3]. Это позволяет практически

проследить реакцию пласта на определенные виды воздействия и подобрать технологию, обеспечивающую равномерность процесса перераспределения напряжений в его краевой части. Сейсмоакустический метод прогноза выбросоопасности не трудоемкий и обеспечивает удовлетворительную достоверность прогноза зон, потенциально опасных по внезапным разрушениям призабойной части пласта [4, 5, 6].

Опыт применения наиболее технологичного метода сейсмоакустиче-ского прогноза выбросоопасности в очистных выработках подтверждает целееоофазность текущей оценки состояния призабойной части выбро-соопасных угольных пластов и экономическую эффективность прогноза вероятных изменений выбросо-опасности.

Оценка напряженно-деформированного состояния призабойной части горного массива по его акустической эмиссии основывается на корреляции статистических характеристик сейс-моактивности с интенсивностью и равномерностью перераспределения напряжений в выработках большой протяженности. Общий принцип оценки состояния, принятый в сейс-моакустическом методе прогноза — контроль реакции пласта на технологическое воздействие по активности акустической эмиссии очага трещино-образования.

Физические основы сейсмоакусти-ческого метода контроля состояния призабойной части угольного пласта

Массив горных пород является сплошной неоднородной средой, напряженно-деформированное состояние которого достаточно хорошо основывается в рамках физической модели упругого деформированного тела. Известно [7], что нарушение сплошности такого тела приводит к

освобождению некоторого количества энергии» расходуемой, как правило, на возбуждение в массиве механических колебаний. Если частота этих колебаний лежит в звуковом диапазоне, то регистрируемый сигнал называется импульсом акустической эмиссии (рис. 1). Изложенный принцип является основой сейсмоакусти-ческого метода оценки интенсивности процесса трещинообразования в массиве вокруг горных выработок.

Причиной разрушения структурных связей в угольном веществе могут быть изменения напряженно-деформированного состояния данного участка или исчерпание прочностных характеристик вследствие протекания реологических процессов, В зависимости от конкретной горнотехнической ситуации роль того или иного фактора может быть преобладающей.

Изменение напряженно-деформированного состояния вокруг горных выработок во многом зависит от исходного поля напряжений. В свою очередь, распределение напряжений вокруг выработки определяется ее видом, прочностными характеристиками вмещающих пород, глубиной ведения горных работ и др. Аналитические и экспериментальные исследования [8, 9, 10, 11], позволили получить методы расчет напряжений в окрестности выработок, дающие близкие к натуре результаты. Предложенные решения отличаются как строгостью подхода к формулировке граничных условий, так и точностью получаемых результатов. Точные методы расчета разработаны для относительно простых горно-технических ситуаций. Менее точные «инженерные» методы дают большую погрешность, однако, являются более гибкими, вследствие чего могут успешно применяться для качественного ана-

Рис. 1. Осциллограмма импульса акустической эмиссии, зарегистрированного в забое подготовительной выработки

Рис. 2. Возможные варианты изменения напряжений в краевой части пласта при перемещении угольного забоя

лиза напряженного состояния пластов в сложной обстановке.

Распределение напряжений в при-забойной зоне описывается графиком, приведенной на рис. 2. Сложность графика связана с условиями нагружения угольного пласта вблизи обнажения. Вдали от забоя условия нагружения пласта близки к объемному равномерному сжатию. Несущая способность пласта в таких условиях достаточно велика, и в диапазоне

действующих на современных глубинах нагрузок взаимосвязь между напряжениями и деформациями для данного участка пласта близка к линейной. Вблизи от забоя вещество пласта получает возможность перемещаться в сторону выработанного пространства. Равновесные условия на-гружения нарушаются, что приводит к уменьшению несущей способности пласта на данном участке, Такое состояние тела в теории разрушения принято называть предельно напряженным.

Особенности акустической эмиссии в забоях подготовительных и нарезных выработок

Очаг трещинообразо-вания, сопровождаемого акустической эмиссией, может быть представлен в виде полосы угля, расположенной вдоль угольного забоя. Среднестатистическая ширина этой полосы соответствует суммарному размеру зоны предельно напряженного состояния и концентрации напряжений и не превышает 10—15 м. В очистных выработках длина полосы угля, соответствующая возможному очагу трещинообразо-вания равна длине лавы, в подготовительных и нарезных выработках она равна, примерно, ширине угольного забоя. Таким образом, при контроле акустической эмиссии в очистных выработках площадь обора информации сейсмоприемников определяется, в основном, шириной полосы трещинообразования и радиу-

сом его действия, а в подготовительных и нарезных выработках шириной полосы трещинообразования и шириной угольного забоя.

Достоверность прогноза в зависимости от относительной погрешности измерений изменяется. В то же время, относительная погрешность измерения импульсов акустической эмиссии так же не постоянна для различных ее абсолютных значений. Специальные исследования, заключающиеся в определении относительной погрешности измерения часовых значений импульсов акустической эмиссии, позволили оценить зависимость показателя от абсолютной величины измеряемой акустической эмиссии. Относительная ошибка в измерении импульсов акустической эмиссии остается практически постоянной лишь в интервалах изменения от 10 до 2000 имп/час. Вне этого интервала ошибка измерения существенно зависит от абсолютного значения импульсов акустической эмиссии. Увеличение ошибки измерения при импульсах акустической эмиссии более 2000 имп/час объясняется «скрытым отказом оператора» от переработки информации при информационной перегрузке. В интервале же от 0 до 10 имп/час увеличение относительной ошибки связано о существенным удельным весом каждого импульса в общем их числе в течение часа. В самом деле, пропуск одного импульса акустической эмиссии при 2 и 20 имп/час соответствует относительным ошибкам, разнящимся на порядок. Учитывая зависимость достоверности прогнозов, рассчитываемых по результатам определения импульсов акустической эмиссии, и зависимость величины относительной ошибки ее измерения от абсолютных значений желательно интервал подсчета выбрать таким, чтобы значительно уменьшить относительную

ошибку ее определения. Увеличение абсолютных значений импульсов акустической эмиссии за счет увеличения интервала ее усреднения целесообразно лишь в том случае, если эта операция не приводит автоматически к суммированию ошибок в распознавании сейсмоимпульсов.

Учитывая изложенное, целесообразно в качестве информативного признака при оценке изменений напряженного состояния угля в забоях подготовительных выработок использовать импульсы акустической эмиссии, определяемые как количество импульсов за время проходческого цикла. В данном случае временем проходческого цикла считается время между двумя однотипными операциями, например, смежными взрывами породного забоя или операциями по выемке угля.

Основные положения сейсмоаку-стического прогноза выбросоопасно-сти в подготовительных выработках

Прогноз выбросоопасности по акустической эмиссии предназначается для установления опасных и неопасных зон при проведении подготовительных выработок на выбросо-опасных пластах. Прогноз осуществляется на основании непрерывного мониторинга за активностью акустической эмиссии призабойной части горного массива.

Основным информативным признаком при прогнозе выбросоопасных зон по активности акустической эмиссии угольных пластов является количество импульсов акустической эмиссии, зарегистрированных звукоулавливающей аппаратурой в единицу времени.

Для регистрации активности акустической эмиссии при проведении подготовительных выработок применяется стандартная сейсмоакустиче-ская аппаратура, включающая само-

стоятельный канал связи между подземным блоком и демодулятором (приемником).

Методика наблюдений за активностью акустической эмиссии предусматривает приемы и правила, обеспечивающие преобразование микросейсмической волны, распространяющейся в среде от различных источников, в электрические сигналы, трансляцию этих сигналов в пункт наблюдений, преобразование их в соответствующие звуковые образы, селекцию звуковых образов по источникам, количественную оценку активности акустической эмиссии и сохранение переданной информации.

1. Анцыферов М.С. Создание метода и аппаратуры сейсмоакустического прогноза опасности возникновения динамических явлений при разработке выбросоопасных угольнык пластов. Автореферат док. дисс., М., ИГД им. А.А. Скочинского.

2. Шустова Р.П. Применение сейсмоаку-стической аппаратуры для анализа организации работ на добычных участках угольных шахт. В сб.: Геофизические исследования в горном деле» М.: Недра, 1969, с. 78-81.

3. Иванов B.C., Клемнер И.С., Кравец А.И., Селиванова НИ. Исследование ситуации распознавания сейсмоакустических импульсов в потолкоуступных лавах крутых пластов. В сб.: Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — Новосибирск: Наука, 1980. — 144 с.

4. Анцыферов М.С. Об эффективности текущего сейсмоакустического прогноза начальных стадий разрушения угля в выбросоопасных пластах Донбасса. В об.: Проблемы горного дела. — М.: Недра, 1974.

Подготовка измеренных значений активности акустической эмиссии к расчетам прогнозов проводится по следующему алгоритму, состоящему из:

• определения математического ожидания активности акустической эмиссии внутриопорной выборки из значений активности акустической эмиссии;

• сглаживания временных рядов активности акустической эмиссии;

• определения «критических» значений активности акустической эмиссии;

• принятия решения о прогнозе.

В результате полученные прогнозы позволяют своевременно организовать процессы дегазации в наиболее опасных местах при проведении выработок.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Анцыферов M.C., Иванов B.C. Метод отработки выбросоопасных угольных пластов без применения противовыбросных мероприятий в безопасных зонах. — М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1973.

6. Анцыферов M.C., Анцыферова Н.Г., Санталова Т. И. К вопросу о возможных причинах динамических явлений на угольных шахтах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1975.

7. Агроскин А.А. Физика угля. — М.: Недра, 1965.

8. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. — М.: Госгортех-издат, 1961, с. 263

9. Петухов И.М. Горные удары на угольных шахтах. — M.: Недра, 1972, с. 221.

10. Некрасовский Е.Э. Разработка пластов, подверженных внезапными выбросам угля и газа. — М., Углетехиздат, 1951.

11. Кузнецов C.B. Распространение волны разгрузки в призабойной зоне угольного пласта и ее связь с выбросами угля и газа. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. № 4, 1970, с. 82-87. Г7ТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Муханов Вячеслав Дмитриевич — аспирант кафедры АСУ, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru