Вдосконалення способу прогнозу диз’юнктивних порушень методом акустичної геолокації при відпрацюванні пологозалягаючих вугільних пластів

Abstract

У дисертації вирішене актуальне науково-технічне завдання підвищення ефективності прогнозу мілкоамплітудних геологічних порушень вугільних пластів методом неруйнівного контролю до 95%. Запропонована і обґрунтована математична модель розповсюдження акустичного хвильового пакету в дисперсійному породному середовищі, заснована на інформаційній амплітудно-фазовій модуляції несучих частот зондуючого сигналу. Розроблено ефективний спосіб прогнозу прихованих диз'юнктивів у вугільних пластах методом неруйнівного контролю. У його основу покладено аналіз особливостей прояву розривних геологічних порушень у функціях модуляційних параметрів сигналу, який отримано в результаті акустичного зондування вуглепородного масиву. Закономірності, отримані в результаті досліджень використані для розробки рекомендацій щодо тектонічної будови вугільних пластів для шахт «Дніпровська», «Краснолиманська» та «Степова».

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности прогноза малоамплитудных геологических нарушений угольных пластов методом неразрушающего контроля до 95%. Организованы и проведены комплексные шахтные, лабораторные и аналитические исследования распространения акустических колебаний в сложноструктурном породном массиве с геологическими нарушениями при использовании различных способов генерации зондирующего акустического сигнала. Впервые доказан факт информационной амплитудно-фазовой модуляции низкочастотных огибающих спектральной плотности мощности несущих частот зондирующего сигнала, прошедшего через исследуемый породный массив. Предложена и обоснована математическая модель распространения акустического волнового пакета в диспергирующей породной среде, отличающаяся от известных тем, что основана она на информационной амплитудно-фазовой модуляции несущих частот зондирующего сигнала. Предложена методика обработки сигнала волнового пакета зондирующего сигнала, прошедшего сквозь структурно-неоднородный породный массив, отличающаяся от известных тем, что в ее основу заложена фазовая демодуляция функции спектральной плотности мощности с применением метода низкочастотного эквивалента. Методика позволяет определить геометрические параметры неоднородностей при прохождении выработок в зонах геологических нарушений. Установлено, что исследование низкочастотной огибающей спектральной плотности мощности несущих частот и последующая ее фазовая демодуляция в среде Matlab позволяет получить фазовые характеристики огибающей, которые несут в себе информационную составляющую, отвечающую за структуру угольного пласта. Доказано, что в случае наличия нарушения график фазовой характеристики имеет один глобальный экстремум, который существенно отличается от остальных – локальных – своей первой производной. Причем, при фазовой демодуляции максимальная амплитуда несущей частоты иногда бывает менее информативна, чем боковые, поэтому в программе оценки нижних частот расчет функции полной фазы низкочастотных спектральных составляющих, осуществляется по четырем несущим с максимальной амплитудой, а среди них выбирается одна – с наиболее резким изменением сигнала. На основе их анализа сделан вывод о том, что на изгибе функции отражается излом характеристики. Доказано, что точка глобального экстремума фазовой характеристики низкочастотной огибающей спектральной плотности мощности несущих частот, вычисляемая методом низкочастотного эквивалента, определяет местонахождение разрывного геологического нарушения в угольном пласте с надежностью не менее 0.95, что позволяет существенно повысить надежность прогноза геоакустическим методом. Описанная точка экстремума возникает в определенное время распространения искусственного сигнала. Имея данные о местонахождении источника сигнала в момент времени его прохождения сквозь массив, местонахождении приемника и скорость распространения акустической волны в волноводе можно определить координаты соответствующей точки разрывного нарушения. Основываясь на анализе данного экстремума установлено, что координаты разрывного нарушения на прямой от источника искусственно генерируемого сигнала до приемника в плоскости волновода определяются произведением средней скорости распространения акустического колебания в угольном пласте и временем, соответствующем возникновению глобального экстремума фазовой характеристики низкочастотной огибающей спектральной плотности мощности несущих частот, что позволяет определить геометрические параметры разрывного нарушения в угольном пласте. Разработан эффективный способ прогноза скрытых дизьюнктивов в угольных пластах методом неразрушающего контроля. В его основу положен анализ особенностей проявления разрывных геологических нарушений в функциях модуляционных параметров сигнала, который получен в результате акустического зондирования углепородного массива. Закономерности, полученные в результате исследований использованы для разработки рекомендаций относительно тектонического строения угольных пластов для шахт «Краснолиманская» ГП «УК «Краснолиманская», «Днепровская» и «Степная» ПАО «ДТЭК Павлоградуголль».

In the thesis, the actual scientific and technical problem of raising efficiency of low-amplitude geological disturbances forecast in coal layers by the method of nondestructive testing up to 95 % is solved. The comprehensive mine, laboratory and analytical research concerning propagation of acoustic oscillations in the complex structured rock massif with geological faults by using different methods of probing acoustic signal generation are organized and conducted. The mathematical model of spreading acoustic wave packet in the dispersion medium based on the information and amplitude-phase modulation of carrying frequencies of the probing signal is proposed and justified. An effective method of the forecasting hidden disjunctives in coal layers by the method of non-destructive testing is developed. The method is based on the analysis of characteristic emergencies of geological faults in the functions of a signal modulation parameters obtained by acoustic probing of coal-rock massif. The regularities obtained from the research results are used to develop recommendations regarding the tectonic structure of coal layers for mines "Dniprovska", "Krasnolymanska" and "Stepova".