Закономірності проявів і сейсмоакустичний прогноз газодинамічних явищ при відпрацюванні вугільних пластів

Abstract

Існуючі методи прогнозу газодинамічних явищ розрізняються за способами отримання інформаційних параметрів і методами їх обробки. Широко застосовуються методи, що засновані на аналізі акустичних сигналів, які генеруються в масиві породоруйнуючими механізмами. Значною перевагою цих методів є безперервність процесу моніторингу та оперативність оцінки стану гірського масиву навколо виробок. Разом з тим прийняті критерії викидонебезпечності не можуть розглядатися як досить обґрунтовані, базуючись виключно на результатах експериментальних спостережень. Ця обставина є однією з причин високого рівня помилок першого роду («хибне спрацювання») при використанні даного методу прогнозу. Подальший розвиток методу вимагає одночасно розробки нової шахтної апаратури передачі сейсмоакустичного сигналу (замість морально застарілих АПСС-1, АК-1, АК-1м) і застосування обґрунтованих як теоретично, так і експериментально критеріїв прогнозу. У даній роботі аналітично підтверджено факт, що діапазон частот 700-1400 Hz гармонійних коливань є «небезпечним» з точки зору виникнення газодинамічних явищ. Проведено оцінку спектрів акустичних сигналів, що виникають у вугільному пласті при роботі різних шахтних механізмів. Встановлено, що у всіх випадках спектри сигналів, що реєструються, містять складові з частотами «небезпечного» інтервалу 700-1400 Hz. На основі виявлених закономірностей сформульовані критеріальні співвідношення можливого виникнення газодинамічних явищ. Запропоновані критерії були застосовані при розробці апаратно-програмного шахтного сейсмоакустичного комплексу.

Целью работы является повышение достоверности сейсмоакустического способа прогноза внезапных газодинамических явлений в шахтах путем формирования прогностических критериев на основе условий динамического разрушения горной породы. В настоящее время разработано несколько методов прогноза газодинамических явлений, различающихся по способам получения информационных параметров и методам их обработки. Широко применяются методы прогноза газодинамических явлений, основанные на анализе акустических сигналов, генерируемых в массиве породоразрушающими механизмами. Существенным достоинством этих методов является непрерывность процесса мониторинга и оперативность оценки состояния горного массива в окрестности выработок. Вместе с тем используемые критерии выбросоопасности не могут рассматриваться как достаточно обоснованные, базируясь, почти исключительно, на результатах экспериментальных наблюдений. Данное обстоятельство является одной из причин высокого уровня ошибок первого рода («ложное срабатывание») при использовании данного метода прогноза. Дальнейшее развитие метода требует одновременно разработки новой шахтной аппаратуры передачи сейсмоакустического сигнала (вместо существующих на данный момент морально устаревших АПСС-1, АК-1, АК- 1м) и применения обоснованных как теоретически, так и экспериментально методов прогноза. В данной работе аналитически подтвержден факт, что диапазон частот 700-1400 Hz гармонических колебаний является «опасным» с точки зрения возникновения газодинамических явлений, что установлено экспериментально в шахтных условиях С. Мирером и Е. Масленниковым. Проведена оценка спектров акустических сигналов, возникающих в угольном пласте при работе различных шахтных механизмов. Установлено, что во всех случаях спектры регистрируемых сигналов содержат составляющие с частотами «опасного» интервала 700-1400 Hz. На основе выявленных закономерностей сформулированы критериальные соотношения возможного возникновения газодинамических явлений. Предложенные критерии были применены при разработке аппаратно-программного шахтного сейсмоакустического комплекса. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем. 1. Впервые разработана и исследована математическая модель старта трещины в углепородном массиве под действием квазистатических напряжений и гармонической нагрузки, обусловленной распространением упругих колебаний в углепородном массиве. 2. Впервые получена зависимость критической длины трещины от величины действующего статического напряжения, амплитуды и частоты гармонических колебаний, трещиностойкости пород и скорости распространения волн Рэлея в данной среде. 3. На основе разработанного условия старта трещины впервые установлено, что при наличии колебательной составляющей существуют такие режимы нагружения, при которых критическая длина стартуемой трещины, меняется скачком. Определены параметры, при которых этот скачок возможен. Для различных типов пород (мелкозернистый песчаник, известняк каменный уголь) установлены диапазоны частот (от 700 до 1400 Hz), в которых двукратное увеличение амплитуды колебаний обуславливает уменьшение критической длины трещины в 2-3 раза. 4. Получено объяснение повышения опасности возникновения газодинамического явления при росте амплитуды высокочастотной составляющей в спектре регистрируемых колебаний, связанное с процессом разрушения. 5. Предложено использовать в качестве контроля состояния углепородного массива (оценки степени опасности) новый прогностический показатель, который представляет собой отношение площади участка спектра, соответствующей высокочастотным составляющим колебаний, к общей площади амплитудно-частотного спектра сигнала 6. Предложена схема с двумя прогностическими показателями для прогноза газодинамических явлений, обеспечивающая уменьшение ошибок первого рода («ложное срабатывание») и второго рода («пропуск события»), с учетом временного интервала превышения данными показателями критических значений. Практическое значение работы состоит в следующем: предложена схема с двумя прогностическими показателями для прогноза газодинамических явлений с учетом временного аспекта, позволяющая повысить достоверность идентификации опасных состояний массива, снижая ошибки первого рода («ложное срабатывание») в 1,5-2,1 раза, без роста ошибок второго рода («пропуск события»). Данная схема прогноза газодинамических явлений применена в разработанном аппаратно-программном шахтном сейсмоакустическом комплексе.

At the present time, several methods for the outburst predict have been developed. These methods are distinguished on the ways of obtaining information parameters and methods of their processing. Widely used methods for the gas- dynamic phenomena predict are based on the analysis of acoustic signals generated by the rock-fracturing working mechanisms in the mining area. A significant advantage of these methods is the continuity of the monitoring process and the efficiency of assessing the rock state in the excavation areas. However the used outburst hazard criteria are based on experimental observations. Therefore, it would not be regarded as sufficiently substantiated. Apparently, this fact is one of the reasons for the high level of errors of the first kind when using this prediction method. Further development of the method requires the design of new mining equipment for the transmission of the seismoacoustic signal (instead of the outdated APSS-1, AK-1 and AK-1m) and the use of theoretically and experimentally valid forecast methods. In this thesis, the fact that the 700-1400 Hz frequency range of harmonic oscillations is "hazard" from the point of view of the outburst onset is analytically confirmed. This thing was established experimentally by S. Mirer and E. Maslennikov in situ. The acoustic signals spectra that occur in a coal seam during the operation of various mine mechanisms were assessed. It is proved that in all cases the spectra of the recorded signals contain components with frequencies of the "hazard" range 700-1400 Hz. Criteria of the gas-dynamic phenomena onset on the basis of the revealed regularities are formulated. The proposed criteria were applied in the development of the hardware and software mine seismoacoustic complex.