Разработка спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Гуляев, Павел Николаевич

• Гуляев, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гуляев, Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ 10 МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

1.1. Газодинамические явления, как объект исследований, и их 10 особенности на угольных шахтах России и стран СНГ

1.2. Горные удары как объект исследований, и их особенности на угольных 12 шахтах России и стран СНГ

1.3. Прогноз гео- и газодинамических явлений экспресс - методами

1.4. Способы автоматического текущего прогноза выбросоопасности

1.5. Акустический контроль состояния призабойной области угольного 27 пласта

1.5.1. Физические основы метода активного акустического контроля 3 2 опасности ГДЯ

1.5.2. Спектральный состав сейсмоакустических колебаний

1.6. Анализ нормативных методов прогноза опасности внезапных выбросов 37 угля (породы) и газа, применяемых на шахтах Российской Федерации

1.7. Выводы и постановка задач исследований

2. СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ 44 НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗАБОЙНОЙ ОБЛАСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

2.1. Формировании напряженного состояния и процессов разрушения 44 призабойной области угольных пластов

2.2. Обобщенные сейсмогеологические свойства угольных пластов и 49 вмещающих пород. Выбор и обоснование объектов исследований

2.3. Исследования акусто-вибрационных процессов углепородного массива 56 в зонах ведения горных работ

2.4. Исследование энергетических и спектральных характеристик 68 колебательных процессов угольного пласта и вмещающих пород при проходке горных выработок

2.5. Влияние нарушенности на спектральные и амплитудные 74 характеристики колебаний углепородного массива в зоне горных работ

2.6. Информативные параметры акусто-вибрационных процессов в зонах 82 ведения горных работ при подземной разработке угольных месторождений

2.7. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТО-ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В 89 ПРИЗАБОЙНОЙ ОБЛАСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА КРИТЕРИЕВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

3.1 Амплитудно-частотные спектры колебаний углепородного массива в 89 призабойной зоне, формируемые взрывными работами.

3.2 Амплитудно-частотные спектры колебаний, формируемых импульсами 94 при геомеханических разрушениях в призабойной зоне углепородного массива.

3.3 Контроль, анализ и прогноз выбросоопасности по амплитудно- 97 частотным спектрам при проходке штрека 370 бис по пласту XXVII (ш. Первомайская, ОАО «Кузбассуголь»)

3.4. Выводы

4. КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ УЗЛОВ 103 МОДУЛЬНОЙ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ (АКАВП) АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ ПО ГОРНЫМ УДАРАМ И ВНЕЗАПНЫМ ВЫБРОСАМ

НА ШАХТАХ

4.1. Необходимость разработки

4.2. Предъявляемые технические требования

4.3. Основные технические характеристики разработанного опытного 107 образца

4.4. Основные характеристики измерительного тракта

4.5. Методика измерения электрических характеристик усилителей

4.6. Предварительные стендовые испытания

4.7. Методика проведения испытаний и полученные результаты

4.8. Программный комплекс автоматизированного прогнозирования 119 изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах

4.9. Выводы 129 5. МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЯ 131 НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ГОРНЫХ РАБОТАХ

5.1. Общие положения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах»

Актуальность работы. Угольная промышленность в современных условиях поставлена перед необходимостью резкого увеличения темпов подвигания подготовительных выработок до 5 - 15 м/сутки и нагрузок на лавы до 3 - 10 и более тысяч тонн угля в сутки. При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все геомеханические процессы, происходящие в массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушением, газовыделением, приобретают более резкий динамичный характер, повышается риск возникновения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, разломов почвы с выбросом газа и других динамических явлений.

Увеличение скорости подвигания забоев (более 4 м/сутки) входит в неразрешимое противоречие с традиционными, еще широко применяемыми шпуровыми методами контроля опасности внезапных выбросов и горных ударов, явлющимися дискретными и требующими недопустимо много времени на бурение контрольных шпуров. Кроме того, для повышения надежности методов прогноза и определения эффективных мероприятий по предотвращению газодинамических явлений необходимо переходить от применяемой оценки «опасно - неопасно» к количественной оценке степени опасности различных типов этих явлений с учетом природных условий и технологии ведения горных работ.

Дистанционные методы текущего прогноза выбросоопасности, отвечающие требованиям высокой скорости подвигания очистных и подготовительных забоев горных выработок: автоматизированный прогноз с применением аппаратуры контроля метана АКМ, метод прогноза по амплитудно-частотным характеристикам аппаратурой АК-1, метод текущего контроля выбросоопасности по акустической эмиссии пласта аппаратурой ЗУА - признаны нормативными и применяются в определенных горно-технических условиях шахт. Однако эти методы пока имеют ограниченное применение вследствие недостаточной научно-методической проработки и на сегодня морально устаревшей аппаратуры.

Перечисленные задачи могут быть решены на основе создания и внедрения спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива, основанного на комплексном анализе спектрального состава колебаний генерируемых горным оборудованием или буровзрывными работами.

Цель работы - разработка метода и аппаратуры автоматизированного контроля и анализа в режиме реального времени спектров акусто-вибрационных колебаний углепородного массива от горного оборудования или буровзрывных работ, обеспечивающих повышение информативности и надежности прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива, степени опасности горных ударов и внезапных выбросов в зонах ведения горных работ.

Основная идея работы - заключается в установлении закономерностей влияния горных выработок, строения и напряженного состояния угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ на спектральный состав, амплитудные и энергетические характеристики регистрируемых акусто-вибрационных колебаний от горного оборудования или буровзрывных работ. Разработке на базе установленных закономерностей информативных спектрально-акустических критериев, методики текущего контроля и прогнозирования зон изменения напряженного состояния и степени их выбросоопасности при ведении проходческих работ, а также аппаратуры нового технического уровня.

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе применен комплекс методов исследований: анализ и обобщение результатов, полученных в данной области; численные и аналитические методы моделирования акусто-вибрационных процессов в массиве горных пород при горных работах; компьютерная обработка, анализ и интерпретация шахтной сейсмоакустической информации.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Сейсмогеологическая модель угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ представляется в виде вертикального геологического разреза с горной выработкой, техногенно нарушенным углепородным массивом и позволяет на этапе моделирования учитывать геологическое строение, изменение напряженного состояния, упругих и акустических свойств горных пород;

2. Математическая модель, отражающая влияние горной выработки, строения, изменения упругих и акустических свойств углепородного массива на спектрально- акустические параметры регистрируемых колебаний от горного оборудования и буровзрывных работ адекватно описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами в плоскости геологического разреза. Наиболее общее корректное решение может быть получено численным конечно-разностным методом по явной схеме;

3. Зависимости спектрального состава и динамических параметров регистрируемых колебаний от мощности и акустических свойств угольного пласта, параметров горной выработки, степени нарушенности горных пород вокруг нее, а также от изменения напряженного состояния углепородного массива являющиеся базовыми для разработки информативных критериев;

4. Критериями спектрально-акустического контроля изменения напряженного состояния в зонах ведения проходческих работ являются: максимум модуля амплитуды для низко и высоко частотных составляющих спектра, полная энергия сигнала, отношение максимум модуля амплитуды высоко частотной составляющей спектра к низко частотной. Комплексная методика, учитывающая физико-механические и акустические свойства горных пород, позволяет повысить достоверность и надежность прогнозирования входа горных работ в аномально напряженные зоны.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана физико-математическая модель и алгоритмы расчетов формирования и развития акусто-вибрационных процессов в зоне ведения горных работ углепородного массива при наличии влияния зон повышенного горного давления, зон трещиноватости и ряда других нарушений;

- установлены закономерности влияния горной выработки, строения и состояния угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ на структуру, спектральный состав, амплитудные и энергетические характеристики регистрируемых колебаний;

- разработаны информативные спектрально-акустические критерии прогнозирования зон изменения напряженного состояния и степени их выбросопасности при ведении проходческих работ;

- разработана аппаратура нового технического уровня и методика спектрально-акустического контроля изменения напряженного состояния в зонах ведения горных работ и прогнозирования выбросоопасности в комплексе с нормативными методами.

Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, в том числе полученных другими исследователями и использованных в качестве исходного материала, а также применением современных компьютерных технологий при моделировании и расчетах.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований методики и аппаратуры мониторинга напряженного состояния угольного пласта и вмещающих пород в зонах ведения горных пород в шахтных условиях, позволяющих повысить достоверность и надежность прогнозирования входа горных работ в аномально напряженные зоны.

Реализация работы. Полученные зависимости, методика и результаты обработки данных использованы:

- при разработке проекта "Разработка автоматизированной системы прогнозирования безопасности горных работ по фактору риска горных ударов и внезапных выбросов 2006 г.

- при разработке проекта «Системы комплексного мониторинга безопасности - СКМБ, обеспечивающей оперативное распознавание и предотвращение взрывов метано-пылевоздушной смесей, контроль и прогноз гео- и газодинамических проявлений на горных предприятиях», 2005.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2004, 2005, 2006 гг.), на XV сессии РАО (Москва, 2005 г.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы, две из которых опубликованы в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 152 страницы машинописного текста, в том числе 52 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 100 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Гуляев, Павел Николаевич

4.9 Выводы.

В процессе выполнения исследований и подготовки диссертационной работы спроектирована и реализована в виде опытного образца аппаратура АКАВП прогнозирования безопасности горных работ по горным ударам и внезапным выбросам.

1. Аппаратура АКАВП выполнена по модульному принципу на современной элементной базе и позволяет по требованию горного предприятия формировать развернутую сеть автоматизированного контроля изменений напряженного состояния массива горных пород в зонах ведения горных работ;

129

2. Использование 32- разрядного микроконтроллера позволило добиться динамического диапазона порядка 120 dB;

3. Реализованная в подземном модуле первичная обработка поступающей от датчика сейсмоакустической информации (преобразование из временной развертки в частотную) и последующее сглаживание спектров позволяет значительно сократить объем передаваемой информации на поверхность без потери точности;

4. Максимальная скорость передачи цифровой информации по существующим подземным кабелям может быть достигнута порядка 9600 бот;

5. Малые токи и напряжение в подземном модуле позволяют решить задачу искробезопасности без громоздких схем искрозащиты.

6. Разработанный программный комплекс выполняет функции управления автоматизированной системой прогнозирования безопасности горных работ по горным ударам и внезапным выбросам

Функции управления реализуются в трёх режимах: а) тестирование работоспособности отдельных блоков и всей системы в целом; б) адаптивная настройка параметров фильтров и критериальных показателей в) оперативный контроль изменения НС массива горных пород в режиме реального времени с визуализацией на экране монитора критериальных показателей и звуковой сигнализации при превышении их пороговых значений;

7. Накапливаемая база данных мониторинга изменения НС массива горных пород доступна для расширенного дополнительного независимого анализа и уточнения режимных параметров и критериальных показателей.

8. Программный комплекс реализован на объектно-ориентированном языке высокого уровня, требует небольших навыков работы в операционной системе WIN ХР и знания механизмов контролируемых процессов.

5 МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ГОРНЫХ РАБОТАХ

Настоящая методика предназначена для применения автоматизированного прогноза опасности изменения напряженного состояния углепородного массива в шахтах, работающих с использованием современных высокопроизводительных технологий проходки подготовительных горных выработок.

Методика является комплексной, объединяя геомеханические сейсмоакустические и газодинамические методы прогноза, предназначена прогнозировать геодинамические и газодинамические явления в шахтах, выполнять функции не только контроля, но также диагностики основных причин опасности динамических явлений и принятия эффективных решений по предотвращению.

5.1 Общие положения

Предлагаемая методика предназначена для осуществления автоматизированного прогноза опасности изменения напряженного состояния углепородного массива в шахтах с применением современной высокопроизводительной горной техники, обеспечивающей высокие скорости их подвигания.

Методика основана на комплексном использовании геофизических, геомеханических и газодинамических методов контроля и оценки состояния массива впереди забоя движущейся горной выработки. Отличительной особенностью методики является ее универсальность, обеспечивающая возможность прогноза степени опасности изменения напряженного состояния углепородного массива, диагностику основных причин их возникновения и контроль эффективности применяемых способов их предотвращения.

В соответствии с разработанной методикой автоматизированная система прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива имеет блочно-модульный принцип построения и формируется из трех основных подсистем (блоков): подсистемы сейсмоакустического контроля напряженного состояния призабойного массива; подсистемы контроля газодинамической активности призабойного массива; подсистемы геомеханического прогноза, диагностики и оценки риска газодинамических явлений.

Структурная схема автоматизированной системы прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива представлена на рис. 5.1.

В комплекс мероприятий по прогнозу и контролю опасности внезапных выбросов угля и газа и горных ударов входят:

1. Моделирование процессов изменения напряженного состояния призабойной части углепородного массива и предварительной оценки влияния данного изменения на колебательные процессы генерируемые буровзрывными работами или горными машинами. Определение априорных спектрально-акустических критериальных показателей опасности развития внезапных выбросов или горных ударов.

2. Текущий акустический контроль напряженного состояния призабойного массива, его выбросоопасности и удароопасности по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) зондирующего сигнала при техногенном воздействии на призабойный массив и по акустической эмиссии массива.

Рисунок 5.1 Структурная схема автоматизированной системы прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива

3. Текущий контроль газодинамической активности призабойной части угольного пласта на основе регистрации изменения концентрации метана в рудничной атмосфере и расхода воздуха в призабойной части горной выработки.

4. Текущий контроль изменчивости физико-механических свойств (прочности, упругости и коэффициент газоотдачи) угольного пласта по трассе подвигания горной выработки экспресс методом прочностномером П-1.

5. Прогнозная геомеханическая, по геоэнергетическому критерию, оценка степени выбросоопасности и удароопасности участка шахтного поля угольного пласта по трассе подвигания забоя горной выработки на базе использования данных геологоразведочных работ (газоносность, тектоническая нарушенность, прочность по кавернометрии и др.) и текущих контрольных определений физико-механических свойств угля в забое подвигаемой горной выработки экспресс методом прочностномером П-1.

6. Текущий прогноз опасных зон, газодинамических явлений комплексным :ейсмогеомехиническим методом (по раздельным и комплексным критериям).

7. Оценка безопасных параметров подвигания забоев горных выработок и эффективности противовыбросных и противоударных мероприятий (на основе гдиной сейсмогеомеханической модели опасности газодинамических явлений, учитывающей комплексное действие природных и техногенных факторов и банка данных свойств и состояния массива).

8. Контроль эффективности противовыбросных и противоударных мероприятий, рекомендации по способам предотвращения газодинамических тлений.

В зависимости от горно-геологических и горно-технических условий ведения х>рных работ и степени опасности газодинамических явлений может применяться зесь комплекс перечисленных мероприятий или только часть из них. Рассмотрим 5олее подробно методические основы их применения.

5.2 Методические указания по автоматизированному прогнозу опасности изменения напряженного состояния углепородного массива в шахтах

В соответствии с вышеизложенным, автоматизированная система прогнозу опасности изменения напряженного состояния углепородного массива, являясь здиной и универсальной комплексной системой структурно формируется из нескольких, охватывающих широкий спектр функциональных задач и возможностей подсистем, состоящих в свою очередь из ряда модулей.

Подсистема моделирования влияния изменения напряженного состояния ча спектрально - акустические параметры колебательных процессов и выбор гприорных значений критериев.

Выполняется разработка сейсмогеологической модели призабойной зоны углепородного массива и проводится моделирование по алгоритмам и программам федложенным в данной диссертации. В процессе всестороннего анализа влияния вменения напряженного состояния на спектрально-акустические параметры югистрируемых колебательных процессов выполняется априорная оценка юличественных значений критериев, по которым будет вестись текущий :пектрально-акустический контроль опасности возникновения внезапного выброса тля, породы и газа или горного удара. В процессе работы подсистемы ейсмоакустического контроля изменения напряженного состояния массива и шасности динамических явлений полученные значения критериальных параметров точняются и корретируются.

Подсистема сейсмоакустического контроля изменения напряженного остояния массива и опасности динамических явлений. Способ акустического онтроля изменения напряженного состояния и процессов разрушения призабойных он угольных пластов в качестве предвестников опасности динамических явлений существляется в двух модификациях: «активной» (спектрально-акустическим онтролем с применением аппаратуры типа АКМЦ) и «пассивной» (контролем по кустической эмиссии с применением аппаратуры типа ARES).

Способ спектрально-акустического контроля основан на прозвучивании [ассива искусственным сейсмоакустическим сигналом и анализе амплитудночастотных характеристик (АЧХ) зарегистрированного сигнала. В качестве искуственного зондирующего сигнала в данном методе используется шум, генерированный в массив работающими в забое машинами (комбайн, струг, буровой станок). В качестве прогностических признаков опасности изменения напряженного состояния (внезапные выбросы, выдавливания, горные удары) выбрано отношение амплитуд высокочастнотной Ав и низкочастотной Ан частей гпектра зондирующего сигнала, прошедшего через массив и зарегистрированного на некотором расстоянии от источника в виде безразмерного показателя к= Ав /Ан, изменение полной энергии сигнала и амплитуд отдельных составляющих шплитудно-частотного спектра.

Применение в используемой автоматизированной системе современной дифровой аппаратуры существенно расширяет диапазон и информационный фовень решаемых задач контроля и прогноза опасности динамических явлений.

Способ прогноза по акустической эмиссии основан на контроле динамики вменения во времени шумности (акустической эмиссии) пласта, измеряемой шелом импульсов в час. Признаком входа забоя в опасную зону является остойчивое повышение средней акустической активности пласта на суточном (или шом) интервале наблюдений до «критического превышения» % кр, которое □меряется несколькими способами.

Подсистема контроля газодинамическойактивности и ыбросоопасности призабойных зон угольных пластов в подготовительных ыработках. Автоматизированные методы прогноза выбросоопасных зон при юмбайновой и буровзрывной проходке подготовительных выработок, выполняемые ia основе контроля и анализа параметров рудничной атмосферы, предусматривают егистрацию данных о концентрации метана в горной выработке аппаратурой LKM, скорости воздуха датчиками ИСВ-1, учет продолжительности работы роходческого комбайна датчиками ППТ, а также передачу соответствующей нформации в поверхностный вычислительный комплекс. Датчики контроля онцентрации метана и скорости воздуха устанавливают в подготовительно выработке на расстоянии 30-50 м забоя. Период опроса датчиков, в зависимости от применяемого метода прогноза изменяется от 10 сек. до 15 мин.

Применяется два метода прогноза выброссопасных зон: при комбайновой проходке и при применении буровзрывных работ. Автоматизированный метод прогноза выбросоопасных зон по динамике газовыделения при комбайновой проходке основан на определении условной газоносности призабойной области пласта по данным газовыделения при выемке угля комбайном Хв и сравнении ее с безопасным по внезапным выбросам пределом газоносности Х0, который устанавливается с учетом природной газоносности, крепости, начальной скорости газоотдачи и влажности угля. При ХВ<Х0 забой выработки находится в неопасной зоне, при ХВ>Х0 в выбросоопасной (рис. 5.2). В качестве показателя характеризующего динамику газовыделения и степень выбросоопасности, можно использовать также показатель характеризующий отношение объема газа Qn, выделившегося в течение первых 10 мин. простоя комбайна, к объему газа Qp, выделившегося в течении последних 10 мин. его работы по выемке угля. При Qn / Qp < 0,8 зона пласта считается опасной по газодинамическим явлениям [73,95-96]. пласта XXI в забое 1-го конвейерного уклона шахты «Бирюлинская» АООТ :<Северокузбассуголь»: хв.3. - показатель выбросоопасности забоя; Хб - безопасный по внезапным выбросам предел газоносности; С - место внезапного выброса и газа

Подсистема геомеханического прогноза, диагностики и оценки опасности газодинамических явлений. Подсистема ответственна за прогноз, диагностику и оценку риска газодинамических явлений на основе оценки геоэнергии массива по геологоразведочным данным и данным текущего контроля изменчивости физико-механических свойств угольных пластов прочностномером П-1.

Для оценки геоэнергии пластов, слагающейся из накопленной упругой энергии сжатия пласта Wy и энергии заключенного в нем газа Wr, используются следующие исходные данные: газоносность угольного пласта X, м /т; кавернометрия пласта (dmax, dmini с1Скв, мм); глубина пластопересечения Н, м; температура пласта Т, градус; характеристики технического анализа угля (выход летучих Vdaf, зольность А и влажность W, %). Все перечисленные данные являются стандартными и имеются для всех разведанных шахтных полей и участков.

На основе установленных экспериментальных зависимостей между показателем кавернометрии f*K и физико-механическими свойствами углей определяется коэффициент газоотдачи угля в30 = у/, (fk) и модуль упругости угля Е =

По экспериментальным зависимостям с использованием данных технического анализа углей определяются сорбционные константы a<> и b и пористость угля п.

Исходя из перечисленных выше данных, определяют эффективную энергию газа Wr = fi(X, d30, Т, Эо, b, п), энергию горного давления (энергию упругого восстановления угольного пласта) Wy = f2 (сг^Е) и потенциальную выбросоопасность пласта Вп = f (Wr, Wy) и уже на их основе строят карты зональности выбросоопасности пласта по площади шахтного поля и графики изменения выбросоопасности по глубине залегания и по трассе подвигания забоя горной выработки.

Следует отметить, что необходимой частью осуществления прогноза внезапных выбросов и горных ударов уже на стадии ведения горных работ является использование для этих целей, экспресс-метода определения физикомеханических свойств углей непосредственно в забоях горных выработок. В качестве показателей опасности забоев по указанным динамическим явлениям

138 используется показатели прочности, упругости и способности к газоотдаче угля, получаемые экспресс-методом с помощью прочностномера П-1 [75,97,98].

Прогноз степени выбросоопасности и удароопасности забоев угольных пластов, исходя из принятой геоэнергетической модели [99,100], осуществляется с учетом одновременного действия природных и техногенных факторов по следующему критерию:

B = (a,Wr +a2Wy)--~> 1 , ч где Wr — эффективная энергия газа, принимающая участие в динамическом явлении, МДж/м3; Wy - энергия горного давления (упругого восстановления угольного пласта), МДж/м3; 10- сменное подвигание забоя или глубина заходки при выемке, м; lk - величина зоны разгрузки и дегазации в краевой части пласта; а, и а2-экспериментальные коэффициенты, учитывающие энергоемкость разрушения и циссипацию энергии.

При значении показателя-В >1 угольный пласт (забой, область обнажения пласта горной выработкой) опасны по динамическим явлениям, если - В < 1 не эпасны.

Как следует из приведенного критерия, потенциальная (природная) опасность угольных пластов по газо и геодинамическим явлениям определяется суммой эффективной энергии газа Wr (работы, которую может совершить газ при быстром зыделении из разрушающегося угля) и энергии горного давления Wy (упругого зосстановления пласта). Безразмерный технологический параметр 10/1к характеризует устойчивость краевой части пласта в самый опасный момент зремени - момент подвигания забоя (образования новой свободной поверхности в пассиве).

На рисунке 5.3. представлены результаты оценки опасности внезапных зыбросов и горных ударов по геоэнергии массива на примере ряда шахт Кузбасса «Первомайская», «Березовская», «Бирюлинская», Чертинская», «Аларда»). j[ 0,70 j

0,80

В 0.60

0,10

9 неопасно

0)00 -!-,---,- , -- i

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Энергия горного давления, МДж/мЗ

Рисунок 5.3. Диаграмма определения опасности внезапных выбросов и горных ударов по геоэнергии массива. Значения геоэнергии массива в местах проявления: о - внезапных выбросов, х - горных ударов.

Как видно из рисунка все 20 динамических явлений располагаются в опасной юне выше разграничивающей линии, заданной критерием (1). Внезапные выбросы гаходятся в левой части диаграммы, где преобладает эффективная энергия газа, а орные удары - в правой, где выше энергия горного давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи разработки метода и аппаратуры автоматизированного контроля в режиме реального времени изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах ведения проходческих горных работ, обеспечивающих повышение информативности и надежности прогнозирования степени опасности горных ударов и внезапных выбросов.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1) разработана физико - математическая модель и алгоритмы расчетов формирования и развития акусто-вибрационных процессов в углепородном массиве в зоне ведения горных работ при наличии влияния зон повышенного горного давления, зон трещиноватости и ряда других нарушений. Модель и алгоритмы позволяют проводить моделирование и анализ колебательных процессов, их амплитудных, энергетических и спектральных характеристик в плоскости геологического разреза и зоны влияния горной выработки;

2) установлены закономерности влияния горной выработки, строения и состояния угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ на структуру, спектральный состав, амплитудные и энергетические характеристики регистрируемых колебаний. Полученные закономерности показывают тесную взаимосвязь формы и параметров амплитудно-частотных спектров с мощностью и свойствами угольного пласта, параметрами горной выработки и степенью нарушенное™ горных пород вокруг нее;

3) установлены закономерности процессов фильтрации горной выработкой и утлепородным массивом широкополосного источника акусто-вибрационных процессов при различных горно-геологических условиях, физико-механических свойствах угольного пласта и вмещающих пород и параметрах горной выработки;

4) разработаны информативные спектрально-акустические критерии прогнозирования зон и степень их выбросопасности при ведении проходческих работ. В качестве базовых критериев рекомендуется использовать изменение в режиме реального времени полной энергии сигнала, максимума модуля амплитуды в заданном частотном диапазоне, отношение максимума модуля амплитуды высокочастотной части спектра к низкочастотной;

5) разработана аппаратура нового технического уровня и методика сейсмоакустического контроля изменения напряженного состояния в зонах ведения горных работ и прогнозирования выбросоопасности. Сконструированная аппаратура и методика позволяют в режиме реального времени вести контроль изменения напряженного состояния углепородного массива, информировать о входе горных работ в опасную зону и оценивать качество и эффективность проведенных противовыбросных мероприятий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гуляев, Павел Николаевич, 2007 год

1. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Расчет изменения потенциальной энергии и прогноз выбросоопасности угольных пластов при разработке на больших глубинах. Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология, - М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1990.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных но внезапным выбросам угля, породы и газа. М.1989. - 192 с.

3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, эазрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. Ленинград, 1988. - 39с.

4. Баймухаметов С.К., Халманов Х.Ж., Бабалиев A.M., Тонких В.И. Методика заблаговременного прогноза зон, опасных по газодинамическим шлениям, по геолого-геофизическим данным пласта и вмещающей толщи. В сб. Торная геофизика", С.-Петербург, 1998 г. 27 с.

5. Еспалова Р.С., Малыгина Т.М., Винникова И.А. Геолого-геофизический 1рогноз выбросоопасных пачек угольных пластов. В сб. "Горная геофизика", С,-1етербург, 1998 г. -105 с.

6. Бобров А.И., Агафонов А.В., Колчин Г.И., Сапунов М.Л. Комплексные сследования призабойной части угольного пласта. В сб.'Торная геофизика", С.-1етербург, 1998 50 с.

7. Б.М. Журбицкий, Н.Е. Фоменко. Радиоволновая томография на шахтах восточного Донбасса. В сб.'Торная геофизика", С.-Петербург, 1998 108 с.

8. Компанец А.И. Выявление опасных зон методом сейсмической локации 3 забоя одиночной горной выработки. В сб.'Торная геофизика", С.-Петербург, 998 г. -122 с.

9. A. Laskownika. Anomalous benaviour selected prameters of epicentre istribution prior to strong tremors in mines. В сб. "Горная геофизика", С.-етербург, 1998 141 с.

10. А.П. Скакун, А.С. Максимов. Методика экпресс-оценки удароопасности участков угольных пластов на основе электрометрии с аппаратурой СЭР-1. В сб. "Горная геофизика", С.-Петербург, 1988 221 с.

11. А.Д. Рубан, Д.В. Яковлев. Подземная геоакустика. В сб. "Проблемы геоакустики: методы и средства". Труды V сессии российского акустического общества.- М., 1996 г.

12. В.А. Рудаков, А.В. Шадрин. Организация прогноза внезапных выбросов >тля и газа на шахтах Кузбасса. // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт Российского Метанового Центра. Кемерово: Институт угля СО РАН, 1995 . № 1. - С.8-10.

13. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. -VI: Недра, 1979.-296 с.

14. Зыков B.C., Лебедев А.В., Сурков А.В. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам. <емерово, 1997. 261 с.

15. Мурашев В.И. Механизм развязывания внезапных выбросов угля и газа i горных выработках. В кн.: "Основы теории внезапных выбросов угля, породы и -аза. М.: 1978. С.140-161.

16. Кнуренко В.А., Рудаков В.А., Егоров П.В. и др. Региональный прогноз $ыбросоопасности угольных пластов Кузбасса. Кемерово. 1997. - 119 с.

17. Чернов О.И., Черкасов B.C., Горбачев А.Т. Движение жидкости в игольных пластах. Новосибирск: Наука, 1981. - 129 с.

18. Временное руководство по применению профилактической обработки игольных пластов жидкостью для ведения одновременной борьбы с внезапными сбросами угля и газа, горными ударами, газовыделением и угольной пылью. ВостНИИ. Кемерово, 1966. - 76 с.

19. А.с. СССР № 1384789, М. кл. Е 215/00. Способ определения (ыбросоопасности угольных пластов. / М.И. Болыпинский и др. Опубл. 30.03.88, >юл. № 12.

20. Глушков В.Т., Ямщиков B.C., Яланский А.А. Геофизический контроль в угольных шахтах. Киев, Наук, думка. 1978. - 224 с.

21. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. и др. Физический контроль массивов горных пород. М.: Недра. 1994. 240 с.

22. Методические указания по шахтной электроразведке малоамплитудных нарушений угольных пластов. Л., 1986. - 84 с. (Министерство угольной промышленности СССР. Всесоюз. ордена Трудового Красного Знамени науч.-ясслед. ин-т горн.геомех. и маркшейд.дела).

23. Задериголова М.М., Демин A.M. Применение радиоволнового метода при изучении деформации горных выработок (Обзор). М.: ЦНИЭИуголь, 1972. -52 с.

24. Уткин А.С. Прогнозирование нарушенности горных пород (Обзор). М.: ДНИЭИуголь, 1973. 69 с.

25. Бойко Г.К., Липчанский А.Ф. Прогнозирование выбросоопасности в фоходческих комбайновых забоях. // Уголь Украины. 1986, - № 4. С.41-42.

26. А.с. СССР № 1245715.М.кл.Е 215/00. Устройство для прогноза нлбросоопасности пластов./Л.Ю. Вьюшков и др. 0публ.23.07.86, бюл.№ 27.

27. Шульгин Е.И. Выбор словаря признаков системы распознавания :итуаций при прогнозе выбросоопасности сейсмоакустическим методом.// Изв. узов. Горный журнал. 1996. - № 1, с. 16-19.

28. Watanabe Y., Nakajima J. The application of AE techniques as a forecasting nethod to the rock and gas outburst in coal mine. XIX International, conference of esearch institutes in safety in mines. Katowice, Poland, 1981. P.564-573.

29. Brady B.T. Theory of earthquakes, I. A scale independent theory of rock ailure. Pure and Appl. Geophys., 1974. Vol. 112.P.701-725.

30. Brady B.T. Prediction of failures in mines an overview. U.S. Dept. Of the Interior, Bu Mines RI 8285.1978. - 16 p.

31. Brady B.T. Tilt precursors in rock before failure: a laboratori investigation. Bu Mines RI 8101. 1975. 9 p.

32. Шадрин A.B., Зыков B.C. Акустическая эмиссия выбросоопасных пластов. Обзорная информация, ЦНИЭИуголь. М., 1991. - 42 с.

33. Hanson D.R. Rock stability analysis by acoustic spectroscopy. Mining Engeneering, Vol. 37. № 1. January 1985. P.54-60.

34. A.c.CCCP № 1222853. Способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов и устройство для его осуществления. С.В. Мирер и др. Опубл. - 07.04.86, Бюл. № 13. - С. 130.

35. Зорин А.Н., Ковтун Е.Д., Качан И.И. Акустический способ контроля выбросоопасности пород при комбайновой проходке.//Уголь Украины. 1987. - № 2, с.29-30.

36. А.с. СССР № 1696729. М. кл. Е 215/00. Способ прогноза выбросоопасности в очистном или подготовительном забое./ Г.И. Колчин и др. -0публ.07.12.91, Бюл. № 45.

37. Бобров И.А. Совершенствование способа прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала для подготовительных выработок, проводимых буровзрывным способом. Автореф. цисс. канд. техн. наук. М., 1994. - 21 с.

38. Методика по прогнозу выбросоопасных угольных пластов по изменению температуры их в призабойной части. Киев: Институт технической теплофизики (\Н Украинской ССР. 1988.

39. Гуляев П.Н. Текущий контроль риска газодинамических явлений в угольных шахтах активными сейсмоакустическими методами.//Горная геология, геомеханика и маркшейдерия. Сборник научных докладов. Донецк: УкрНИМИ НАН Украины, 2004, С. 195-199.

40. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок. -Кемерово: Институт угля СО РАН, 1994. 48 с.

41. Бабенко B.C., Ткаченко Е.С., Зеленская Е.И. Сопоставление различных критериев выбросоопасности угольных пластов при проведении подготовительной выработки.// Уголь, № 7. 1991, с.60-71.

42. Рудаков В.А., Потапов П.В., Шадрин А.В. Обеспечение контроля выбросоопасности угольных пластов в условиях Кузбасса.// Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. Кемерово. 1994, - с.17-18.

43. Шадрин А.В., Рудаков В.А. Совершенствование автоматизации текущего прогноза выбросоопасности на шахтах Кузбасса.// Отчетная сессия Кузбасского РНОК за 1993-1995 гг.: Тез.докл. Кемерово: Кузбассвузиздат. 1996, -201-202

44. Азбель М.Д., Трегуб A.M. Некоторые вопросы автоматизации текущего прогноза, обнаружения и контроля развития выбросов угля и газа.// Автоматизированное управление и связь на угольных шахтах и обогатительных фабриках. М., 1995, - с.51-55.

45. Исследование горного давления геофизическими методами. Под ред. Ю.В. Ризниченко. М., "Наука", 1967, 215 с.

46. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Ультразвуковой контроль и исследования з горном деле. М., "Недра", 1968,120 с.

47. Петухов И.М., Смирнов В.А. и др. Геофизические исследования горных ударов. М., "Недра", 1975,134 с.

48. Проскуряков В.М., Кузнецов В.П., Крыжановский М.В. Сейсмический метод оценки эффективности защитного действия подработки. "Уголь Украины". 1976, № 3, с. 12-13.

49. Мясников Ю.Г., Исаев Ю.С. Сейсмические иследования нарушенности угольных пластов на шахтах Подмосковного бассейна. Д., Труды ВНИМИ, 1974, сб.94, с.15-19.

50. Мясников Ю.Г., Лозобко Г.А. и др. Аппаратура для разведки нарушенности угольных пластов и горных выработок методом сейсмического просвечивания. Л., Труды ВНИМИ, 1976, сб.102, с.66-67.

51. Анцыферов М.С., Константинова А.Г., Переверзев ЛЮ. Зейсмоакустические исследования в угольных шахтах. М., Изд-во АН СССР, 1960,104 с.

52. Применение сейсмоакустических методов в горном деле. Под ред. М.С. \нцыферова. М., "Наука" , 1964, 187 с.

53. Ривкин И.Д., Запольский В.П., Богданов Н.А. Звукометрический метод габлюдения проявлений горного давления. М., Металлургиздат, 1956,188 с.

54. Виноградов С.Д. Акустические наблюдения процессов разрушения орных пород. М., "Наука", 1964, 83 с.

55. Анцыферов М.С., Анцыферова Н.Г., Каган Я.Я. Сейсмоакустические сследования и проблемы прогноза динамических явлений. М.,"Наука", 1971,136

56. Анцыферов М.С. Теория геофонов и виброметров звукового диапазона. Л., "Наука", 1976, 143 с.

57. Анцыферова Н.Г. Возможности статистического способа обработки (анных о сейсмоакустическом режиме выбросоопасных пластов. В сб. Применение сейсмоакустических методов в горном деле". М., "Наука", 1964, .92-101.

58. Иванов B.C. Сейсмоакустическое определение границ выбросоопасных он наугольных пластах. М., "Наука", 1964, с.84-91.

59. Мирер С.В. Определение зоны разгрузки восстающих скважин ейсмоакустическим методом. М., "Наука", 1964, с. 13 8-143.

60. Jaeger J.C. Frictional Properties of joints in Rock. Geofisica Рига e Lpplicata. Milano, 43.- 1958.- № 11. P. 148-158.

61. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин, бразующихся при хрупком разрушении. ЦМ ТФ, 1961, № 4, с.3-56.

62. Леонов М.Я. Элементы теории хрупкого разрушения. АМТФ, 1961, № 3, .85-92.

63. Константинова А.Г. Сейсмоакустические исследования предвестников азрушения угольных пластов. М., "Наука", 1977, 132 с.

64. Гуревич Г.И. О длине и форме волны, возникающей при разрыве. Изв. Л СССР, сер. геофиз., 1955, № 3, с.261-264.

65. Берзон И.С. Динамические характеристики сейсмических волн в еальных средах. Изд. АН СССР, М., 1962, 511 с.

66. Резниченко Ю.В., Ванек И., Сибек В. и др. Исследование горного авления геофизическими методами. М., "Наука", 1971, 215 с.

67. Константинова А.Г., Мысина Л.Г. Относительное изменение параметров пругих импульсов перед внезапными выбросами угля и газа. В сб. "Применение ейсмоакустических методов в горном деле", М., "Наука", 1964, с. 154-164.

68. Иванова Г.М. Сравнительный анализ естественных сейсмоакустических мпульсов и импульсов, возбуждаемых производственными работами. В сб.

69. Применение сейсмоакустических методов в горном деле", М., "Недра", 1964, .144-149.

70. С.В. Мирер, О.И. Хмара, А.В. Шадрин. Спектрально-акустический рогноз выбросоопасности угольных пластов. Москва-Кемерово, 1999 г.

71. Мирер С.В. Об акустическом контроле напряженности краевой части ыбросоопасного угольного пласта. Труды ВНИМИ, № 102, JL, 1976, с.34-38.

72. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных о внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00) М., НТЦ Промышленная безопасность», 2001.

73. Руководство по предупреждению внезапных выбросов угля и газа в •чистных забоях угольных шахт/ В.С.Зыков, В.И.Мурашев, В.Н.Пузырев, \Н.Фейт, В.А.Рудаков и др. Кемерово, НЦ ВостНИИ, 2002.

74. Дубиньски Ю. Оценка горного массива с использованием еофизических методов новые возможности / Проблемы ускорения научно-ехнического прогресса в отраслях горного производства. - М.: ННЦ ГП - ИГД м. А.А.Скочинского, 2003.

75. Hanson D.R. Rock Stability analysis by acoustic spectroscopy. Mining engineering, Vol. 37, No 1, January 1985, p. 54-60.

76. Мирер C.B., Хмара О.И., Масленников E.B., Методика и аппаратура для кустического контроля выбросоопасности угольных пластов / Науч. сообщ. ИГД (М. А.А.Скочинского,. М.: 1988, С.20-24.

77. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Хмара О.И. Контроль и прогнозирование остояния забоев опасных по газодинамическим явлениям// Межд. конф. т.1: )храна труда в подземных и открытых шахтах и рудниках. Болгария, Варна. -998.-С. 174-181.

78. Петухов И.М., Линьков A.M. Механика горных ударов и выбросов. М., 1едра, 1983. 280с.

79. Миронов К. В. Справочник геолога угольщика. -М.: Недра, 1991.- 363с.:1. Л.

80. Фоменко Н.Е. Петрофизические особенности пород угольных 1есторождений в зонах разрывных нарушений: Автореф. дис. канд. геол.- минер, аук. М: МГУ, 1976. 22с.

81. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-еологических условий эксплуатации угольных месторождений.- М.: Недра, 988.-199с.

82. Глушко В. Т., Ямщиков B.C. Яланская А. А. Геофизический контроль в вахтах и тоннелях. -М.: Недра. 1987,- 278 с.

83. Гречухин В.В. Изучение угленосных формаций геофизическими ютодами М.: Недра, 1980.- 360с.

84. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Технология сейсмоакустического рогнозирования газодинамических явлений (ГДЯ) в угольных шахтах 'Международная конференция. Горная геофизика. С.-Пб.:ВНИМИ, 1998.

85. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Строк Н.И. Новые подходы к прогнозированию предотвращению горно-геологических осложнений в очистных выработках // "ехнология подземных горных работ. М.: Науч. сообщ. ИГД им. ^.А.Скочинского. Вып.308,1998.

86. Булат А.Ф., Курносов А.Т. Управление геомеханическими процессами ри отработке угольных пластов. Киев, Наукова думка, 1987, 200с.

87. Захаров В.Н., Гуляев П.Н., Харченко А.В. Исследование акусто -ибрационных процессов углепородного массива в зонах ведения горных работ. Т1АБ, №6, изд-во МГГУ, 2005, С.69-74.

88. Гуляев П.Н. Информативные параметры акусто-вибрационных процессов зонах ведения горных работ при подземной разработке угольныхесторождений. ГИАБ, №6, изд-во МГГУ, 2006, С. 140-146.

89. Шадрин А.В. Применение спектрально-акустического прогноза ыбросоопасности на шахтах Кузбасса/ А.В. Шадрин, В.А. Коноваленко, В.А. 'удаков и др.//Вестник КузГТУ. 2004. - №5. - С. 31- 38.

90. Руководство по предупреждению внезапных выбросов угля и газа в чистных забоях угольных шахт / Зыков B.C., Мурашев В.И., Пузырев В.Н., Фейт '.Н. и др. Кемерово, ВостНИИ. - 2002, 34с.

91. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния свойств массива горных пород при разработке угольных месторождений. М:

92. ИЦ ГП-ИГД им А.А.Скочинского, 2002. 172 с.

93. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Зыков B.C., Рудаков В.А. Прогноз пасности внезапных выбросов и горных ударов по энергии массива. ФТПРПИ, Г°1 2002. - С.67-70.

94. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-имические свойства углей выбросоопасных пластов. М. Наука, 1979. 195с.

95. Докукин А.В., Кусов Н.Ф., Фейт Г.Н. и др. Снижение выбросоопасности ри динамическом воздействии на угольный массив. М. Наука, 1985. 184с.