Акустический двухчастотный метод контроля напряженного состояния горного массива

А.В. Шадрин

д-р техн. наук, чл.-корр. РАЕН, начальник научного управления ФГБОУ ВПО «КемГУ»

М.В. Дегтярева

студентка ФГБОУ ВПО «КемГУ»

УДК 622.831.322

АКУСТИЧЕСКИЙ ДВУХЧАСТОТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Излагается сущность акустического двухчастотного метода контроля напряженного состояния горного массива и область его применения. В качестве широкополосного источника акустических колебаний используется режущий орган действующего горного оборудования: комбайна, струга, отбойного молотка или коронки буровой штанги. Напряженное состояние оценивается по отношению высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра.

Показано, что это отношение зависит от напряженного состояния, свойств горного массива и расстояния между источником и приемником звука.

Ключевые слова: ВЫРАБОТКА, ГОРНЫЙ МАССИВ, НАПРЯЖЕНИЯ, АКУСТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И НИЗКОЧАСТОТНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ, КОЭФФИЦИЕНТ ЗАТУХАНИЯ ЗВУКА

Непрерывный контроль напряженного состояния горного массива впереди подготовительных и очистных выработок является одним из основных компонентов обеспечения безопасности ведения горных работ, в том числе путем своевременного обнаружения зон, опасных по проявлению динамических и газодинамических явлений. Желательно, чтобы такой контроль был основан на неразрушающих методах, т.е. без установки датчиков в пробуренные в контролируемую зону скважины.

В данной работе дается обоснование возможности такого контроля на основе спектрального анализа акустических колебаний, прошедших через контролируемый участок горного массива. В качестве источника акустических колебаний используется режущий орган действующего горного оборудования: комбайна, струга, отбойного молотка или коронки буровой штанги, характеризующийся наличием широкого, хотя и неравномерного, спектра излучаемых акустических волн. Впервые такой метод контроля был предложен С.В. Мирером для текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа [1]. В настоящее время одно из названий данного метода - спектрально-акустический. Основан метод на экспериментально установленном факте, что

при приближении к зонам, опасным по проявлению внезапных выбросов угля и газа, коэффициент затухания высокочастотных акустических колебаний снижается значительно сильнее, чем низкочастотных [2]. Ниже дается аналитическое обоснование области применения данного метода. Осуществляют метод следующим образом. При контроле напряженного состояния массива впереди очистной выработки приемник акустических колебаний (датчик) устанавливают в борт вентиляционного и (или) конвейерного штреков впереди очистной выработки и поэтому акустический сигнал от работающего оборудования проходит через контролируемую зону горного массива.

Иначе обстоит дело при прогнозе опасности ГДЯ впереди подготовительной выработки. В этом случае акустический датчик устанавливают на расстоянии от 5 до 30 м позади забоя выработки. Несмотря на это, обеспечивается контроль некоторой зоны массива впереди выработки, и объясняется это следующим образом.

Режущий орган горного оборудования является источником звука с широкой диаграммой направленности, т.е. звук распространяется практически во всех направлениях. При этом на амплитуду при-

нятого сигнала будет влиять состояние значительной части горного массива, расположенного между источником и приемником звука: напряженное состояние, структура и состав горного массива, его трещиноватость и слоистость, влажность и др. Если бы источник и приемник звука находились на одной прямой, проходящей по горному массиву, то область массива, влияющую на амплитуду принятого сигнала, можно было бы приближенно принять равной цилиндру диаметром не менее половины длины волны, ось которого совпадает с прямой, соединяющей приемник с излучателем [3]. Оценим размеры этого цилиндра для спектральноакустического метода, в котором приемниками акустических колебаний являются геофоны типа СВ-20 и СВ-30. Для них область рабочих частот лежит в пределах 30-1500 Гц (в этом же диапазоне расположен спектр колебаний от режущего органа действующего горного оборудования). При скорости распространения звука по углю, примерно равной 1600 м/с, рабочие длины волн лежат в интервале X = 50-1,1 м. Следовательно, если бы звук от излучателя к приемнику распространялся по прямой, то на амплитуду принятого сигнала вследствие затухания оказывала бы влияние масса угля, расположенного в объеме «трубки» диаметром 250,55 м. На эту минимальную глубину, наполовину меньшую из регистрируемых длин звуковых волн, осуществлялось бы зондирование горного массива впереди подготовительной выработки в случае, если в качестве источника зондирующих шумов использовался проходческий комбайн.

Однако приемник звука находится не на прямой, соединяющей его с источником, а в своеобразной области звуковой тени. (Звук распространяется от режущего органа комбайна вдоль забоя выработки, и затем часть акустической энергии будет распространяться вдоль выработки к месту установки приемника). Поэтому на результирующее акустическое поле у приемника будет влиять дифракция звука в области изменения направления его распространения. Качественную оценку влияния дифракции звука можно получить, применив принцип Гюйгенса [4].

Суть принципа заключается в том, что гармоническую волну с фронтом любой формы можно представить состоящей из большого числа простых сферических волн одинаковой частоты (так называемых элементарных волн), каждая из которых распространяется из своей исходной точки и имеет

свои начальные фазу и амплитуду. При этом любой волновой фронт можно рассматривать как огибающую всех таких элементарных волн, исходные точки которых располагаются на прежнем фронте волны [4]. При широком спектре колебаний это правило нужно применить к каждой спектральной составляющей. Вследствие этого в призабойном пространстве в устье лучевой трубки, расположенной вдоль борта выработки, в котором установлен геофон, будут попадать вторичные сферичные элементарные волны, излученные фронтами результирующих волн, расположенных впереди забоя подготовительной выработки. Поэтому реальную схему распространения звука можно заменить на эквивалентную, в которой своеобразный «эффективный источник» вынесен впереди реального за поверхность забоя на расстояние, равное нескольким минимальным для используемого геофона длинам волн, так что «эффективный источник» и приемник звука расположены на линии, близкой к прямой (рисунок 1). При этом приближение забоя выработки к области нарушения (или границе проекции вышележащего целика) будет сопровождаться ростом средних напряжений.

И и Иф - соответственно реальный и эффективный излучатель;

П - приемник акустических колебаний

Рисунок 1 - Распространение звука от «эффективного источника» через лучевую трубку к приемнику

Когда в качестве источника зондирующих шумов используется буровая штанга, контролируемое пространство впереди забоя выработки оказывается между источником и приемником звука и схема прохождения акустического сигнала становится как в очистной выработке.

Таким образом, в очистной и в подготовительной выработках состояние горного массива впереди выработки оказывает влияние на параметры акустических волн, излученных режущим органом горного оборудования и достигших приемника. Среднее значение текущих напряжений на участке между источником и приемником звука От ср можно определить следующим образом:

°т, = 7~Г\°т (г) ^ ,

где Тип - длина траектории движения звуковой волны от излучателя до приемника по горному массиву. При этом обеспечивается зондирование массива впереди очистной выработки на глубину, несколько превышающую расстояние от плоскости забоя до плоскости установки геофона, и впереди подготовительной выработки на глубину, равную глубине скважины при прогнозе в процессе бурения опережающей скважины из забоя выработки, и на глубину 2-3 м - при прогнозе в процессе работы проходческого комбайна, что соизмеримо с величиной неснижаемого опережения в 1,5 - 2 м, регламентируемой нормативным документом [5].

Теперь рассмотрим, как влияет напряженное состояние горного массива на показатель спектральноакустического метода контроля.

Рабочий орган комбайна, струга, буровой коронки или отбойного молотка возбуждает в горном массиве акустические колебания в широком диапазоне частот. Эти колебания распространяются по горному массиву от источника до приемника, установленного в короткой скважине, пробуренной в борт выработки на расстоянии от 5 до 30 м от забоя подготовительной выработки или впереди лавы на расстоянии до 40 м [5]. Амплитуда звуковых колебаний А с удалением от источника изменяется по закону:

А = А0 /

где А0 - амплитуда сигнала источника, В;

/(г) - закон изменения амплитуды с расстоянием вследствие расхождения волнового фронта акустических колебаний (приближенно работающее оборудование можно считать как источник сферических акустических колебаний с обратно пропорциональной зависимостью амплитуды от расстояния до приемника);

а - коэффициент затухания, м-1; г - расстояние от источника до приемника звука, м.

Коэффициент затухания зависит от частоты сигнала и напряженного состояния. Известно, что в твердом теле коэффициент а прямо пропорционален частоте сигнала/ [6] и обратно пропорционален напряжениям в массиве о [7]. Поэтому можно записать:

а = ос0 ,

/о

где а0 - затухание на некоторой частоте /0 при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии);

о„р и от - соответственно, предельное и среднее текущие значения средних напряжений в массиве;

в - коэффициент пропорциональности, определяемый свойствами массива.

Вид выражения (2) позволяет понять физическую сущность метода спектрально-акустического контроля массива. Она состоит в следующем. При приближении забоя выработки к зоне с повышенными напряжениями зияние трещин и микротрещин уменьшается, а площадь контакта их берегов возрастает. В результате этого уменьшается затухание акустических сигналов, генерируемых режущим органом горного оборудования, на участке их прохождения до приемника. Причем затухание высокочастотных гармоник уменьшается сильнее, чем низкочастотных. Эта закономерность положена в основу данного метода контроля.

В соответствии с принципом спектрально-акустического прогноза выбросоопасности степень напряженного состояния массива будет оцениваться показателем К, равным отношению амплитуд акустических шумов от работающего горного оборудования, замеренных на высоких и низких частотах [2]:

К = ^ ,

где АВ и АН - соответственно, текущие значения амплитуд, продетектированных амплитудными детекторами высокочастотной и низкочастотной областей спектра, В.

В дальнейшем в соответствии с решаемой в данной работе задачей показатель К будет называться показателем напряженного состояния массива. Следует отметить, что поскольку спектр шумов работающего горного оборудования не равномерен в области рабочих частот геофонов и зависит от вида оборудования, рассматривается отношение амплитуд не фиксированных гармоник, а специальным образом выделенных низкочастотной и высокочастотной областей шумов.

Подставив выражения (1) и (2) в (3), получим:

-С^ г

К = е ,

где С = 6—, / и / - средние часто-

/о

ты выбранных для контроля областей, соответственно, верхних и нижних рабочих частот спектра излучения горного оборудования, Гц.

Из выражения (4) видно, что, во-первых, с ростом напряжений показатель напряженного состояния массива К возрастает; во-вторых, подбором областей частот со средними значениями / и / можно регулировать чувствительность метода; в-третьих, показатель К при прочих равных условиях зависит от расстояния между излучателем и приемником акустических колебаний; в-четвертых, показатель К зависит от свойств среды. Данные выводы подтверждены результатами расчетов, отображенных на рисунках.

На рисунке 2 приведены зависимости показателя К(г) от расстояния между излучателем и приемником акустических колебаний при одинаковом значении частоты / = 450 Гц для трех пар средних частот областей, соответственно, верхних и нижних рабочих частот: в первой паре / = 600 Гц и / = 160 Гц, во второй паре/В = 800 Гц и / = 200 Гц. В третьей паре / = 1000 Гц и / = 300 Гц. Для всех зависимостей взято значение «0=1,3 м-1.

Из сравнения зависимостей, приведенных на рисунках 2 а и 2 б, видно, что с ростом текущих напряжений показатель напряженного состояния массива менее зависим от расстояния г, однако не

Д»-*50Гц-

ЬгЯЮІ*

Ч Іа-1 АТ} Гц:

»>

:«

сьЛгяр-&.6;

МИГ4

'ьз-адопс

Аг-ДОГц V «й-ГОФ^ ч

*! ЗОО'Гд

в * »р и я а зе :ї

Г, и

&

Рисунок 2 - Зависимость показателя К от расстояния между излучателем и приемником акустических колебаний г для трех пар высоких / и низких / частот и двух значений отношений текущих и предельных напряжений: о /о = 0,3

т пр. у/ т пр. ' '

К

я я

I

Рисунок 3 - Зависимость показателя напряженного состояния массива К от отношения о /о для трех значений

т пр. 1

параметра в, характеризующего горный массив как среду, по которой распространяются акустические колебания

сохраняется постоянным. Поэтому для использования его с целью контроля напряженного состояния

массива необходимо либо поддерживать постоянство удаления приемника акустических колебаний от излучателя, либо вводить поправку, зависящую от этого расстояния.

На рисунке 3 приведены зависимости показателя напряженного состояния массива К от отношения от/опр при расстоянии между излучателем и приемником акустических колебаний г = 10 м и при трех значениях параметра в, характеризующего свойства среды.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что качественно отношение амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра шумов работающего горного оборудования характеризует напряженное состояние горного массива. Однако для количественной оценки необходим учет расстояния между источником и приемником акустических колебаний и акустических свойств контролируемого горного массива.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Мирер, С.В. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности угольных пластов / С.В. Мирер, О.И. Хмара, А.В. Шадрин. - М.-Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - 92 с.

2 Мирер, С.В. Об акустическом контроле напряженности краевой части выбросоопасного пласта / С.В. Мирер // Труды ВНИМИ. -1976. -№102. - С. 34-38.

3 Савич, А.И. О зоне «захвата» упругих волн / А.И. Савич // Труды Гидропроекта. -1971. -№21. -С. 29-40.

4 Крауткремер, Й. Ультразвуковой контроль материалов: справ. изд. / Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; пер. с нем. - М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

5 Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00) // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах (Сборник документов). - М.: ГП НТЦ, 2000. - С. 120-303.

6 Ноздрев, В.Ф. Молекулярная акустика / В.Ф. Ноздрев. -М.: Высшая школа, 1974. - 288 с.

7 Новик, Г.Я. Физико-техническое обеспечение горного производства / Г.Я. Новик, С.В. Ржевская. - М.: Недра, 1995. - 256 с.

ACOUSTIC DUAL-FREQUENCY METHOD OF Шадрин Александр Васильевич

THE ROCK MASS STATE STRESS CONTROL e-mail: science@kemsu.ru

A.V. Shadrin, M.V. Degtyareva Дегтярева Мария Викторовна

The essence of the dual-frequency acoustic method e-mail: maria.d_91@mail.ru

of control the stress state of rock mass and the

area of its application is described. As a broadband

source of acoustic waves cutting head of acting

mining equipment is used: coal-plough machine,

jackhammer or drill rod crown. The stressed state is

evaluated by comparing the ratio of high frequency

and low frequency components of the spectrum.

It is shown that this ratio depends on the stress state,

the properties of the rock mass and the distance

between the sound source and the receiver.

Keywords:MINE OPENING, ROCKMASS, STRESS,

ACOUSTIC VIBRATIONS, HIGH FREQUENCY

AND LOW FREQUENCY COMPONENTS, SOUND

ATTENUATION COEFFICIENT