Обоснование и разработка резонансно-акустического метода оценки плотностного разреза пород кровли горных выработок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Пустовойтова, Наталия Александровна

• Пустовойтова, Наталия Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пустовойтова, Наталия Александровна

Введение.

Глава 1. Анализ современных геофизических методов оценки структуры, свойств и состояния массива в окрестностях горных выработок.

1.1 Проблема обеспечения устойчивости выработок как необходимое условие эффективного и безопасного строительства и эксплуатации подземных сооружений.

1.2 Классификация горных выработок.

1.3 Устойчивость горных выработок и факторы, влияющие на нее.

1.4. Общая характеристика и задачи методов изучения массива в окрестностях горных выработок.

1.5. Геофизические методы исследования околовыработочного пространства.

1.6. Акустические методы исследования массива.

1.7 Резонансно-акустический метод контроля и потенциальные возможности его дальнейшего совершенствования.

1.8. Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. Разработка теоретической модели модифицированного резонансно-акустического метода оценки структуры и свойств массива в окрестностях горных выработок.

2.1. Разработка теоретической модели модифицированного резонансно-акустического метода контроля.

2.2 Теоретическая оценка потенциальной погрешности расчета плотностного разреза в рамках разработанной модели.

2.3 Алгоритм и программное обеспечение численного моделирования резонансно-акустического метода.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Физическое моделирование модифицированного резонансно-акустического метода контроля.

3.1 Описание мелкомасштабных моделей и условий проведения эксперимента.

3.2. Результаты экспериментов на мелкомасштабных моделях.

3.3 Описание крупномасштабных моделей и условий проведения эксперимента.

3.4. Результаты экспериментов на крупномасштабной модели.

3.5. Выводы по главе.

Глава .4. Экспериментальные исследования массива горных пород в окрестностях выработок модифицированным резонансно-акустическим методом.

4.1 Разработка методического обеспечения экспериментальных исследований в натурных условиях.

4.2 Результаты исследований пород кровли горных выработок угольных шахт «Южная» и «Юбилейная».

4.3 Результаты исследований, проведенных в процессе инженерно-геологических изысканий при строительстве метрополитена в г. Санкт-Петербурге.

4.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование и разработка резонансно-акустического метода оценки плотностного разреза пород кровли горных выработок»

Прогноз и обеспечение устойчивости кровли горных выработок являются одной из приоритетных задач геомеханики и во многом определяют эффективность и безопасность добычи полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений.

Необходимым условием успешного решения этой задачи является наличие надежной информации о плотностном разрезе пород основной и непосредственной кровли и положении границ раздела составляющих их отдельных литологических слоев.

Получение указанной информации с использованием кернового бурения или геофизических исследований скважин чрезвычайно трудоемко, затратно и сопряжено с привнесением дополнительной нарушенности приконтурного массива. Более экономична структурная диагностика пород кровли на основе резонансного акустического метода (РАМ) геоконтроля, предполагающего спектральный анализ отклика объекта исследований на механическое импульсное воздействие. Этот метод зарекомендовал себя как эффективный инструмент выявления границ слоев с разной акустической жесткостью, но в рамках своей традиционной реализации не позволяет хотя бы приблизительно оценить плотность горных пород и степень её изменчивости в пределах каждого слоя. Отмеченное предопределяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение информативности резонансно-акустического контроля кровли горных выработок за счет получения данных о её плотностном разрезе.

Исследования, представленные в работе, проводились при поддержке фонда «Ведущие научные школы России» (грант № НШ-1467.2003.5), а также в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры и свойств горных пород на основе принципов акустической эхоскопии» в соответствии с планом НИР МГГУ, проводимых в 2002-2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (№ государственной регистрации 01200304882).

Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном изучении закономерностей отклика слоистой геологической среды на импульсное механическое воздействие для разработки резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего наряду с выявлением границ структурных неоднородностей возможность построения плотностного разреза исследуемой области в кровле горных выработок.

Идея работы состоит в использовании спектрального представления акустического отклика слоистого массива горных пород на механическое импульсное воздействие для получения информации о плотностном разрезе указанного массива.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности отклика слоистой геологической среды на механическое импульсное воздействие определяются параметрами её скоростного и плотностного разреза, что отражает разработанная теоретическая модель резонансно-акустического метода структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок.

2. Расчетный плотностной разрез массива в окрестностях горных выработок может быть построен на основании Фурье-преобразования его отклика на механическое импульсное воздействие, а также априорной информации о скоростном разрезе, либо об усредненных скоростях распространения упругих волн по глубине.

3. Разработанные математический метод и алгоритм решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающие устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения, а также соответствующее программное обеспечение позволяют реализовать этот метод в рамках геоинформационной системы получения данных о строении и плотностном разрезе геологической среды в окрестностях горных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: качественным совпадением зависимостей информативных параметров акустического отклика объекта контроля на импульсное механическое воздействие, прогнозируемых на основе разработанной теоретической модели и полученных в результате экспериментальных исследований; хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров резонансно-акустического метода контроля с искомыми структурными неоднородностями и их плотностью при многократных (более десяти) измерениях в ходе лабораторных и натурных экспериментов в одинаковых условиях; удовлетворительной сходимостью (с погрешностью, не превышающей 15%) результатов определения границ структурных неоднородностей и плотностного разреза геологических объектов, полученных предлагаемым методом в натурных условиях и по результатам кернового анализа;

Научная новизна работы заключается: в разработке эффективной теоретической модели, устанавливающей взаимосвязь между амплитудно-частотным спектром акустического отклика слоистого геологического объекта на механическое импульсное воздействие, с одной стороны, и плотностным разрезом этого объекта, с другой. в разработке математического метода решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающего устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения.

Научное значение работы заключается в обосновании резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего дистанционную оценку плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики изучения плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок на основе резонансно-акустических измерений, а также программного комплекса «Система информационного обеспечения акустических исследований строения и плотностного разреза массива горных пород в окрестностях горных выработок «INPUT-INVERSE56»», (свидетельство о государственной регистрации № 2008612488 от 20.05.2008 г.).

Реализация результатов работы. Разработанная на основе исследований автора «Методика изучения плотностного разреза пород кровли горных выработок с использованием резонансно-акустических измерений» передана в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», НИЦ «Тоннели и метрополитены» (Филиал ОАО ЦНИИС), в ЗАО Управляющая компания «Межрегиональный союз строителей», в ИПКОН РАН и в ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для практического использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XYI научной сессии Российского акустического общества (Москва, 2005 г.) и научных симпозиумах "Неделя горняка" (МГГУ, Москва, 2007, 2008 гг.). Отдельные элементы работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ (Москва, 2001), где были отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 125 страницах, содержит 31 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Пустовойтова, Наталия Александровна

4.4. Выводы по главе.

1. Экспериментальные исследования, проведенные на натурных объектах, показали перспективность предложенной модификации резонансно-акустического метода оценки структуры и свойств массива в окрестностях горных выработок при проведении измерений непосредственно из выработок с односторонним доступом к объекту контроля.

2. Выполненные исследования показали, что использование предлагаемого алгоритма обработки и интерпретации результатов измерений по традиционным схемам позволяет существенно повысить информативность контроля за счет получения информации не только о наличии границ внутри массива, но и оценить степень неоднородности внутри слоев на основании плотностного разреза.

3. Проведенные исследования показали перспективность выполнения измерений резонансно-акустическим методом с дневной поверхности для решения широкого круга инженерно-геологических задач, связанных с проведением выработок и строительством подземных сооружений в сложных городских условиях. В частности, результаты, полученные при строительстве метрополитена, показали возможность построения плотностного разреза с погрешностью, не превышающей 15% по сравнению с результатами кернового бурения. N

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе теоретических и экспериментальных исследований решена задача установления взаимосвязей между параметрами плотностного разреза слоистой геологической среды и спектральными характеристиками её отклика на механическое импульсное воздействие, а также разработки на этой основе метода структурной диагностики кровли горных выработок, что имеет существенное значение для повышения качества информационного обеспечения прогноза и поддержания их устойчивости.

Основные полученные лично автором научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

• Разработана теоретическая модель резонансно-акустического метода геоконтроля, учитывающая взаимосвязь спектрального отклика геологической среды на импульсное механическое воздействие и параметров её плотностного и скоростного разреза.

• Обоснован математический метод и алгоритм решения обратной геофизической задачи, обеспечивающие устойчивость вычислений при оценке плотностного разреза резонансно-акустическим методом. Разработано программное обеспечение, позволяющее реализовать указанный метод и получить оценочные данные о плотностном разрезе в рамках геоинформационной системы структурной диагностики массива в процессе строительства и эксплуатации подземных сооружений.

• С использованием предложенной теоретической модели проведено численное моделирование, позволившее изучить особенности спектрального отклика слоистой геологической среды на импульсное механическое воздействие и установить наличие взаимосвязи этого отклика с искомым плотностным разрезом.

• Проведено физическое моделирование резонансно-акустического метода на разномасштабных слоистых моделях, отличающихся числом и физико-механическими свойствами материала слоев, которое подтвердило результаты теоретических исследований.

• Осуществлена экспериментальная проверка работоспособности резонансно-акустического метода оценки плотностного разреза пород кровли подготовительных выработок при реализации контроля непосредственно в шахтных условиях, а также плотностного разреза слоистого массива на участке строящейся линии метрополитена при реализации контроля с земной поверхности.

• На основе полученных результатов обоснована методика изучения плотностного разреза пород кровли горных выработок с использованием резонансно-акустических измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пустовойтова, Наталия Александровна, 2008 год

1. Покровский Н.М. Комплексы подземных горных выработок и сооружений. М.Недра, 1987.-248 с.

2. Именитов В. Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений. Уч. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984.

3. Курленя М. В., Штеле В. И., Шалауров В. Р. Развитие технологии подземных горных работ. Новосибирск: Наука, 1985.

4. Методология проектирования горных предприятий: Сравочник / под ред. И.К.Станченко и др. М.: Недра. 1986.

5. Рогинский В.М. Проведение горно-разведочных выработок. Учебник для ВУЗов. М.Недра, 1987.-295 с.

6. Пучков JI. А., Аюров В. Д. Синергетика горнотехнологических процессов. 2-е изд., стер. - М.: Издательство МГГУ.

7. Салганик Р. Д., Афанасенко Г. В., Иофис И. М. Горное давление: Уч. для вузов. — М.: Недра, 1992.

8. Орлов Н. В., Зрелый Н. Д., Романчук A. JI. и др. Ликвидация сложных подземных аварий. К.: Техника, 1981.

9. В. Н. Рева, О. И. Мельников, В. В. Райский. Поддержание горных выработок. М.: Недра., 1995.

10. Егоров П. В., Бобер Е. А., Кузнецов Ю. Н., Решетов С. Е., Красюк Н. Н. Основы горного дела. Уч. для вузов. М.: Издательство МГГУ, 2003.

11. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология1 месторождений полезных ископаемых: Уч. Для ВУЗов.-Л.: Недра. 1986. 272 с.

12. Ильин А. М., Антипов В. Н., Наймарк А. М. Безопасность труда в горной промышленности. М.: Недра, 1991".

13. Рогинский В.М. Проектирование и расчет железобетонной штанговой крепи. М.: Недра,1971. 234 с.

14. Курленя М.В., Миренков В.Е. Методы расчета подземныхсооружений. Новосибирск: Наука, 1986.-232 с.

15. Курленя М.В., Опарин В.Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. Новосибирск: Наука, 1999.-334 с.

16. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994.-208с.

17. Мушин И. А., Корольков Ю.С., Чернов А. А. Выявление и картирование дизъюктивных дислокаций методами разведочной геофизики. -М.: Научный мир, 2001. 120 с.

18. Борщ-Компониец В.И. Геодезия, основы аэрофотосъемки и маршейдерского дела. М.Недра, 1984.-448 с.

19. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. Учебник для ВУЗов. М.Недра, 1982.-296 с.

20. Ямщиков B.C. Контроль процессов горного производства Учебник для ВУЗов. М.Недра,1989.-446 с.

21. Бурение геологоразведочных скважин. Спр. пособие. / С.С. Сулакшин. -М.: Недра, 1991.

22. Молев М.Д. Геофизическое прогнозирование горно-геологических условий подземной разработки угольных пластов. Новочеркасск.: ЮРГТУ, 2000.

23. Физические свойства горных пород (петрофизика): Справочник / под ред. В.Н. Дахнова. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1962.

24. Барон JI. И., Логунцов Б. М., Позин Е. 3. Определение свойств горных пород. М.: Госгортехиздат, 1962.

25. Попов В. В. Комплексная интерпретация результатов геофизических исследований в углеразведочных скважинах. — М.: Недра, 1976.

26. Новицкий Г. П. Комплексирование геофизических методов разведки. Л.: Недра, 1974.

27. Комплексирование методов разведочной геофизики. Справочникгеофизика / Под ред. В. В. Бродового., А. А. Никитина. М.: Недра, 1984.

28. Байконуров О. А., Мельников В. А. Основы горной геофизики. Алма-Ата. Наука, 1970.

29. Гармаш О. JL, Ткачук Э. И. Влияние физических свойств на прочность углевмещающих пород Восточного Донбасса // Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых Юга России: Сб. науч. тр. / НГТУ. Новочеркасск, 1995.

30. Попов В.Н., Брукинский В.А. геодезия и маркшейдерия. Уч. Для ВУЗов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004 г.- 453с.

31. Бродовой В.В. Комплексирование геофизических методов. М.: Недра, 1991.-329 с.

32. Справочник геофизика. Под ред. Гурвича И. И. М.: Недра, 1966.

33. Гравиразведка. Справочник геофизика / Под ред. Е. А. Мудрецовой. -М.: Недра, 1981.

34. Бережная JI. Т., Телепин М. А. Определение плотности гравиметрических данным. — Прикладная геофизика, вып. 59. М.: Недра, 1966.

35. Маловичко А.К., Костицын В. И. Гравиразведка. Уч. для вузов М.: Недра, 1992.

36. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. Учебник для ВУЗов/ Под ред. Богословского. М.: Недра, 1990.-501 с.

37. Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка. Учебник для вузов. М.: Недра, 1991.-359 с.

38. Кауфман А.А. Введение в теорию геофизических методов электромагнитного поля. М.: ООО «Недра-бизнесцентр», 2001.-519 с.

39. Хмелевской В. К. основной курс электроразведки. Ч. III. Электроразведка в комплексе геолого-геофизических исследований. М.: Издательство Московского университета, 1975.

40. Прикладная геофизика / В. М. Телфорд, JI. П. Гелдарт, Р. Е. Шерифф, Д. А. Кейс. М.: Недра, 1980.

41. Матвеев Б. К. Электроразведка. Уч. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990.

42. Матвеев Б. К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. Уч. для вузов М.: Недра, 1982.

43. Ржевский В.В, Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. М., 1973.

44. Шнеерсон М.Б., Потапов О.А. Вибрационная сейсморазведка. М.: Недра, 1990.-240с.

45. Многоволновые сейсмические исследования. (Сб. трудов) Новосибирск, 1989.-213 с.

46. Ямщиков B.C. Горная геофизика. Колебания и волновые процессы в горных породах. Уч. пособие по дисциплине «Прогноз и контроль процессов горного производства» для студентов специальности 09.06.-М.: МГИ.-1991.-66 с.

47. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика / Под. ред. В. М. Запорожца. М.: Недра, 1983.

48. Итенберг Р. С. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин. Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: недра, 1987.

49. Сейсморазведка. Справочник геофизика в 2-х кн./ Под ред. В. Н. Номоконова. Книга первая 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990.

50. Скважинная и шахтная рудничная геофизика: Справочник геофизика / под ред. В. В. Бродового. М.: Недра, 1989

51. Яковлев Д. В. Системные исследования в угольной геофизике // Сб. науч. трудов. ВНИМИ. Л., 1991.

52. Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин. — Учебник для вузов. М.:1. Недра, 1984.-432 с.

53. ГОСТ 13017-83. Гравиметры наземные. Общие технические условия.

54. Шерифф Р., Гелдарт JI. Сейсморазведка: в 2-х т. Т.1. Пер. с англ. -М.: Мир, 1987.

55. Ланге Ю.В. Об ударном возбуждении колебаний при контроле акустическим спектральным методом. Дефектоскопия № 8, 1978.

56. Ланге Ю.В. Акустические многочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1991.-270 с.

57. Ахметшин A.M. Дефектоскопия слоистых структур динамическим методом свободных колебаний в плоскости комплексных резонансных частот. Дефектоскопия № 1, 1993.

58. Ямщиков B.C., Бауков Ю.Н., Сидоров Е.Е. Горная геофизика. Виброакустический метод. Уч. Пособие по дисциплине Контроль процессов горного производства для студентов спец. 0210. М.: МГИ,-1991.-126 с.

59. Бауков Ю.Н. Горная геофизика. Учебное пособие. М.: МГГУ, 1994 г.

60. Бауков Ю. Н., Данилов В. Н. Физические основы резонансного акустического метода контроля расслоений кровли горных выработок. II Изв. вузов. Горный журнал. 1998. - №1.

61. I. Zuykov. Resonance Acoustical Profiling system and methods of using same, патент США от 6199016 от 6 марта 2001 года Зуйков И.В. www.geoacoustic.com.

62. А.Г. Гликман. Упругие волны в слоистых средах // Сб. тр. ВНИИГ.-Л., 1986.

63. Бреховских Л.М., Годин О.В. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1989.-416 с.

64. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука. -1981.

65. М.: Физико-математическая литература, лаборатория базовых знаний.-2000.- 399с.

66. Кабанихин С.И. Проекционно-разностные методы определения коэффициентов гиперболических уравнений. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд., 1988.

67. Кабанихин С.И. Оптимизационные методы решения коэффициентных обратных задач. Новосибирск. -2001.- 315 с.

68. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1990.

69. L. Hatton, М.Н. Worthington, J. Makin Seismic data processing. Theory and practice. By Blackwell Scientific Publication, 1986.

70. Гельфанд И.М., Левитан Б.М. Об определении дифференциального уравнения по его спектральной функции// Изв. АН СССР. Сер. Мат.-1951-Т.15, №4.

71. Алексеев А.С., Добринский В.И. Некоторые вопросы практического использования обратных динамических задач сейсмики // Математические проблемы геофизики/ АН СССР. Сиб. отд. ВЦ. -Новосибирск, 1975. Вып.6, ч.2.

72. Загорский Л.С. Спектральные методы определения строения горного массива./ под ред. акад. В.Н.Страхова. М.: Изд. Дом «Грааль».-2001.

73. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Определения, теоремы, формулы. 6-е изд.,стер. СПб.: Издательство «Лань», 2003 г. - 832 с. - Учебник дляjвузов. Специальная литература).

74. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. М.: Наука, 1985.

75. Голдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел., М., Издательство литературы по строительству, 1965.

76. Шкуратник В. Л. Измерения в физическом эксперименте: Уч. для вузов. М.: Издательство Академии горных наук, 2000. - 256 е.: ил.

77. Загорский Л. С., Пустовойтова Н. А. Повышение эффективности резонансного акустического метода оценки структурных неоднородностей массива горных пород // Сб. трудов XVI сессии РАО. Том. I. М.: ГЕОС, 2005. с. 315-317.