Міністерство освіти і науки України
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МАСЛЕННІКОВ єВГЕНІЙ вОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 622.831.1
оБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОГНОЗу ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНості У ВУГІЛЬНИХ шахтах НА основі аналізу АКУСТИЧНОГО сигналу
Спеціальність: 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ-2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України
(м. Дніпропетровськ).
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Гончаренко Вячеслав Олександрович, провідний науковий співробітник відділу геології вугільних родовищ великих глибин Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ);
доктор технічних наук Ілляшов Михайло Олександрович, заступник генерального директора концерну “Енерго” спільного Українсько-Кіпрського підприємства (м. Жданівка, Донецька обл.).
Провідна установа: Донецький національний технічний університет, кафедра будівництва шахт та підземних споруд Міністерства освіти і науки України
Захист дисертації відбудеться “20” грудня 2002 р. О 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ - 27, пр. Карла Маркса, 19, т.47-24-11).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).
Автореферат розісланий “19” листопада 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор С.Ф.Власов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Зі збільшенням обсягу видобутку вугілля в Україні неминуче пов'язане зростання кількості шахт, що розробляють пласти на глибоких горизонтах.
Ця обставина привела до того, що практично на всіх шахтах виникли значні труднощі, що обумовлені гірничо-геологічними і гірничотехнічними умовами. Погіршення цих умов пов'язано, у першу чергу, з тим, що перерозподіл гірського тиску, що викликаний проведенням виробок у масиві в умовах глибини, що постійно збільшується, а також інтенсифікація проведення гірничих робіт призводять до реальної небезпеки виникнення газодинамічного явища, найбільш характерним проявом якого для умов Донбасу є раптові викиди вугілля і газу. При переході робіт у найближчі 10-15 років на більш глибокі горизонти немає причин очікувати зниження цієї небезпеки.
Технологією видобутку вугілля в таких умовах передбачене обов'язкове одержання поточної інформації про геомеханічний стан масиву поблизу виробки, тобто ведення прогнозу. Існуючі методи прогнозу викидонебезпечності в одних випадках недостатньо надійні і достовірні, в інших – нетехнологічні і трудомісткі. З огляду на катастрофічний характер раптових викидів вугілля і газу та їх наслідків, дослідження питань прогнозу можливості їх розвитку є дуже актуальними.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані в рамках комплексної галузевої програми РН.Ц.001 “Удосконалення технічної бази паливно-енергетичного комплексу та підвищення ефективності використання енергоресурсів” та приоритетного напрямку розвитку науки і техніки України № 4 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України за програмою № 20 “Розробити і впровадити ресурсозберігаючі та екологічно чисті технології видобутку та переробки вугілля” за тематиками Г/Д № 0116208200 (держ. реєстраційний № 8160820), ГП-70 (держ. реєстраційний № UА01000836), ГП-207 (держ реєстраційний № 0197U018306), ГП-257 (держ. реєстраційний № 0100U001824) у Національному гірничому університеті.
Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів методу та розробці апаратури для надійного прогнозу викидів вугілля та газу у вугільних шахтах.
Основні задачі досліджень складаються в наступному:
-
аналіз літературних джерел з метою виявлення позитивної якості і недоліків існуючих методів прогнозу стану привибійної області масиву;
-
збір і узагальнення акустичної інформації, яка записана на магнітний носій і отримана за результатами тривалих спостережень за станом вугільних пластів в спокійних зонах і в умовах реальної можливості розвитку раптового викиду вугілля та газу;
-
лабораторні дослідження акустичної інформації з застосуванням методів спектрального аналізу;
-
встановлення закономірностей зв’язку форми спектру акустичних сигналів, що розповсюджуються в масиві, з рівнем виникаючих в ньому напружень;
-
виділення із загальної структури акустичного сигналу інформативного параметра, що відображає стан привибійної області масиву з точки зору ступеня її викидонебезпечності;
-
розробка алгоритму виділення прогностичної ознаки (інформативного параметра) з реального акустичного сигналу;
-
розробка метода акустичного контролю стану привибійної області масиву, що досліджується, та його апаратурного забезпечення;
-
проведення промислових випробувань методу та апаратури акустичного контролю викидонебезпечності вугільних пластів в типових горно-геологічних умовах з оцінкою ефективності і можливостей розробленого методу та апаратури акустичного контролю.
Основна ідея роботи заснована на факті взаємодії енергії акустичних коливань, що поширюються в порідному масиві, з енергією, що утримується в ньому у вигляді механічних напружень.
Об’єктом досліджень є привибійна область гірничого масиву, як місце зосередження підвищених напружень, що є причиною розвитку раптового викиду вугілля та газу.
Предметом досліджень є акустичні коливання, що розповсюджуються в привибійній області гірничого масиву як носії інформації про рівень напружень у привибійній зоні вугільного пласта .
Методи досліджень: комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення літературних даних, методи математичного моделювання, фізичного моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів, методи спектрального аналізу реальної інформації, отриманої в натурних умовах, проведення промислових випробувань.
Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Спектр акустичного сигналу, що розповсюджується у породному масиві, не залежить від виду породоруйнівних механізмів, генерується актами руйнування структурних зв’язків масиву, а форма цього спектру визначається рівнем механічних напружень у привибійній частині виробки, що дозволяє використовувати штучний акустичний сигнал як інформаційне поле при веденні моніторингу породного масиву.
2. Відношення амплітуд високочастотної частини до амплітуд у низькочастотній частині у спектрі акустичного сигналу, що сформований у породному масиві актами руйнування його структурних зв’язків, знаходиться у прямій функціональній залежності від рівня механічних напружень у привибійній частині вугільного пласту, що дає можливість використовувати це відношення як інформаційний параметр при розробці методу акустичного прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів при веденні очисних та підготовчих робіт.
Наукова новизна отриманих результатів:
-
уперше обґрунтовано, що стан привибійної зони вугільного пласта інформаційно забезпечується шляхом аналізу зондуючого акустичного сигналу, що генерований механізмами, які працюють у вибої;
-
уперше встановлена закономірність зміни спектральних характеристик акустичного сигналу, що зондує, у визначених частотних областях від рівня механічних напружень, які виникають у досліджуваній зоні;
-
уперше показано, що найбільш інформативними акустичними характеристиками зондуючого сигналу, що відображає рівень механічних напружень у досліджуваній зоні, є співвідношення його спектральних компонентів.
Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена результатами промислових випробувань розробленого методу акустичного прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів у порівнянні з існуючими нормативними методами. За результатами прогнозу розробленим методом в натурних умовах, похибка у розпізнаванні зон аномальних напружень масиву відносно викидів, що виникли, складає не більш ніж 19%.
Наукове значення роботи складається у встановленні невідомої раніше залежності між ступенем напруженості привибійної області вуглепородного масиву, що відбиває ступінь його викидонебезпечності, і характеристиками штучно збудженого акустичного сигналу, що проходить скрізь цю область.
Доведено, що критерієм віднесення параметра К (співвідношення компонент сигналу, що характеризує рівень механічних напружень у досліджуваній зоні) до небезпечних значень, які свідчать про створення викидонебезпечної ситуації, є перевищення значення К=3.
Практичне значення роботи:
-
розроблений метод акустичного прогнозу викидонебезпечних зон у вугільних пластах, що затверджений у встановленому порядку і включений у нормативні документи;
-
розроблений алгоритм обробки акустичних сигналів, що поширюються у вуглепородному масиві, з метою розробки апаратури акустичного контролю викидонебезпечності вугільних пластів;
-
розроблене технічне завдання на розробку апаратури акустичного контролю викидонебезпечності вугільних пластів, серійно виготовлена і впроваджена партія апаратури на шахтах України, Росії і Казахстану.
Реалізація роботи. За результатами досліджень розроблені метод і апаратура акустичного контролю ступеня викидонебезпечності вугільних пластів. Зазначений метод ухвалений Центральною комісією з боротьби з раптовими викидами вугілля та газу, включений для практичного використання в галузевий нормативний документ “Інструкція з безпечного ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ” у розділ “Прогноз викидонебезпечності вугільних пластів” і впроваджений на шахтах ДХК “Макіїввугілля” і “Донецьквугілля” України, в Росії та Казахстані.
Особистий внесок автора полягає в розробці ідеї, методу, алгоритму опрацювання сигналу, технічного завдання на розробку апаратури і проведенні промислових випробувань методу й апаратури акустичного контролю ступеня викидонебезпечності вугільних пластів.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних конференціях “Неделя горняка”, Москва, МГГУ, 1997г., міжнародному симпозіумі MPES'98, Канада, Калгарі, 1998 р., “Геомеханика и динамические проявления горного давления”, Дніпропетровськ, НГАУ, 2001р., на засіданнях Центральної комісії з боротьби з раптовими викидами вугілля і газу, Москва, Донецьк, 1990-1999 рр., на засіданнях Центральної комісії з боротьби з раптовими викидами вугілля і газу України, Макіївка, 1997, на технічній раді Мінвуглепрому СРСР і України, 1886-1999 рр., Держгорнагляду України, 1997 р., ДХК “Макіїввугілля”, на засіданні кафедри БГТ і К НГУ.
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковані 9 друкованих робіт (з них п’ять - в наукових спеціалізованих виданнях, два патенти, дві статті за матеріалами конференцій).
Структура й обсяг. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, переліку використаних джерел із 107 найменувань на 11 сторінках і додатків, містить 106 сторінок машинописного тексту, 26 рисунків на 17 сторінках, 7 таблиць на 3 сторінках і додатки на 3 сторінках; загальний обсяг роботи 140 сторінок.
Основний зміст роботи
Задача розпізнавання зон підвищених напружень навколо виробки є невід'ємною частиною технології ведення видобувних робіт в умовах небезпеки розвитку газодинамічного явища. Локальний характер раптового викиду вугілля і газу, як найбільш характерного газодинамічного явища для центрального району Донбасу, і підвищення ймовірності його розвитку з глибиною розробки обумовлюють необхідність створення методів прогнозу, що базуються на нових принципах. Пов'язане це з тим, що локальні засоби оперативної оцінки стану незайманого масиву, що існують та застосовуються на цей час, класифікація яких наведена на рис.1, у значній мірі втратили свою вірогідність, оскільки вони чи засновані на проникненні в породний масив, що приводить до зміни його природного напруженого стану, чи не враховують зміни механічного стану гірських порід при сучасніх глибинах розробки. Дана робота спрямована до розвитку нового напрямку методів прогнозу викидонебезпечності у вугільних шахтах, що пов’язані з використанням акустичних коливань для активного зондування області, що досліджується.
Тенденція до використання акустичних коливань як інформативного параметра, що намітилася у світовій практиці, найбільш близько підходить до рішення проблеми прогнозування викидонебезпечних зон, оскільки можна вважати встановленим факт взаємодії енергії цих коливань з потенційною енергією, яка зосереджена у приконтурній області пласту, що при визначеному її рівні в сполученні з властивостями вугілля і геометрією привибійної зони може ініціювати розв'язання викиду.
Ця обставина наведена на рис.2, де показана залежність часу буріння шпуру за метровими інтервалами, а також залежність осередненої частоти акустичного сигналу від часу буріння шпуру за тими ж метровими інтервалами. Перша залежність відображує рівень діючих напружень у привибійній області пласта, друга – однозначну залежність рівня енергії зареєстрованого акустичного сигналу від рівня енергетичного стану тієї ж області.
Рис.1. Класифікація методів прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів
Основна задача досліджень полягає в обґрунтуванні такого параметру в структурі сигналів, що зондують, який найбільшою мірою реагував би на зміну рівня потенційної енергії досліджуваної зони.
Для оцінки величини діючих сил і напружень у приконтурній області пласта в припущенні, що однієї з можливих моделей створення викидонебезпечної ситуації є защемлення крайової його частини породами безпосередньої покрівлі, розглядається консольна балка (рис.3) на відстані l від защемлення. Результати визначення реакції в місці защемлення при реальних значеннях об'ємної ваги порід і відповідної потужності породного шару показали, що рівень діючих напружень і зв'язаний з ним рівень потенційної енергії дуже суттєво (у 10 і більш разів) реагують на зміну параметрів консолі, а оскільки акустичний сигнал, як було показано на рис.2, залежить від рівня енергії області, яка досліджується, то варто очікувати, що його зміни будуть настільки ж суттєвими.
Оскільки в середній частоті сигналу з урахуванням техніки проведених вимірів у завуальованому вигляді одночасно присутні безліч його окремих характеристик, для початку їхньої селекції було проведено низку лабораторних експериментів. На моделі з еквівалентних матеріалів (рис.4), що імітує виробку в масиві за простяганням, аналізу піддавалася швидкість звуку і переважна частота в спектрі стандартного удару, що наносився по моделі.
а) б)
Рис.2. Залежність часу буріння шпуру за інтервалами його довжини (а) і
залежність осередненої частоти акустичного сигналу від часу
буріння шпуру за тими ж метровими інтервалами (б)
Рис.3. Розрахункова схема для оцінки величини напружень у разі защем-
лення крайової частини пласту шаром безпосередньої покрівлі
Якісний аналіз отриманих залежностей показав, що основні закономірності зміни механічного стану гірських порід навколо очисної виробки добре відображуються у зміні цих акустичних показників. Однак вони є досить узагаль-
Рис.4. Залежності швидкості звуку () і переважної частоти в спектрі
удару (fmax) на моделі з еквівалентних матеріалів
неними характеристиками і припускають неоднозначність в інтерпретації зв'язку між конкретними фізико-механічними властивостями порід і параметрами сигналу. Загальним же для експериментів на рис. 2 і рис. 4 є зміщення частоти “вгору” при збільшенні механічних напружень.
Для вивчення характеристик загасання сигналу на різних частотах у функції тиску на зразок при його всебічному стиску був проведений лабораторний експеримент, що полягає в досліджені в гідравлічній “бомбі” порідних зразків при різних рівнях високого всебічного тиску. Результати досліджень показані на рис.5. Аналіз отриманої залежності показує, що загасання сигналу з підвищенням частоти зворотно пропорційно тиску, що прикладається, чи рівню механічних напружень, що створені у зразку.
Розходження загасання сигналів у частотній області визначило проведення спектрального аналізу реальних сигналів, що збуджені у вугільному шарі робочим органом комбайна в розвантаженій зоні і безпосередньо перед викидом вугілля і газу. На рис.6 показаний одиничний і сімейство (більш 100) таких спектрів.
Рис.5. Амплітудно-частотна характеристика зразка вугілля при різних
рівнях гідростатичного тиску
а) б)
Рис. 6. Одиничний (а) та сімейство (б) спектрів акустичних сигналів від
роботи комбайна у спокійній і небезпечній зонах
Приведені залежності дозволяють говорити про те, що викидонебезпечна зона шару характеризується:
-
появою високоамплітудних високочастотних компонентів;
-
більшою змінливістю спектральних характеристик як в області основної частоти, так і у високочастотній.
Закономірність зміни характеристик, що наведені на рис.5 і 6, не дозволяє зробити висновки про однозначність зв'язку форми характеристики, що одержана, зі ступенем напруженості досліджуваної області. Відсутньою умовою для такого висновку є наявність ідентичних джерел збуджуючого сигналу.
Оцінка впливу різних джерел збуджуючого сигналу представлена на рис.7 відповідними спектрами сигналів, що отримані в натурних умовах. Ступінь розходження цих спектрів відображає коефіцієнт варіації (Кv).
а) б) в)
Рис.7. Спектри різних джерел сигналу: а) – відбійного молотка,
б) – комбайна, в) –природнього сейсмоакустичного імпульсу
Сумісний розгляд залежностей на рис.6 і 7 дозволяє зробити ряд висновків:
-
привибійна область гірського масиву у відношенні коливань, що поширюються в ній, являє собою фільтр, який особливим чином спотворює їхній спектральний склад;
-
ідентичність форми спектрів різних джерел у досліджуваній області частот дозволяє говорити про те, що всі ці джерела генерують коливання в цій області (100-1600 Гц) частот;
-
відома “бідність” і розходження власних спектрів цих джерел дозволяють довести, що джерелом коливань у масиві служать не працюючі механізми, а результат руйнування ними структурних елементів масиву (вугілля) і вплив, що генерує, являє собою спектр, що рівномірно розподілений у частотній області.
Викладені вище дослідження довели, що форма спектра акустичного сигналу не залежить від природи його джерела і визначає рівень механічних напружень (потенційної енергії) у привибійній частини вугільного пласта, що дозволяє використовувати спектр як носій інформації. Виявлена закономірність не дозволяє виділити її як прогностичну ознаку. Пов'язано це з тим, що абсолютна величина усіх спектральних складових є рівень сигналу чи його потужність. Вона буде залежати як від місця розташування джерела сигналу, так і від його потужності.
Для виділення прогностичної ознаки, що не залежить як від рівня самого сигналу, так і місця розташування його джерела, був виконаний аналіз одиничного спектра комбайна, що наведений на рис.6,б. Аналіз показав, що структурно будь-який акустичний сигнал, що поширюється в масиві, незалежно від джерела його одержання, складається з трьох частин: лівої (низькочастотної), центральної і правої (високочастотної). Центральна частина сигналу не змінює форми при зміні зовнішніх умов. Вона відображає геометричні параметри хвильоводу – шара вугілля - і з погляду викидонебезпечності може не розглядатися. Ліва і права частини дуже чуйно реагують на рівень механічних напружень у привибійній частині, одночасно зменшуючись і збільшуючись відповідно зростанню напружень у привибійній частині вугільного пласта.
Одночасність зміни високо- і низькочастотних складових одного і того ж спектру відносно центрального максимуму, що виключений з розгляду, дозволило сформувати прогностичну ознаку у вигляді співвідношення К максимальних значень частотних компонентів у цих частинах спектра, що виявляється незалежним від рівня самого сигналу.
Таким чином, обрана прогностична ознака обумовлює незалежність та постійність одержуваного результату як від місця розташування джерела сигналу, так і від його потужності. Усі представлені раніше припущення дозволили сформувати алгоритм обробки акустичної інформації для виділення прогностичної ознаки. Відповідно до цього алгоритма розроблена структурна схема відповідної апаратури.
Для визначення рівня відповідного критичному – небезпечному значенню, були оброблені дані, що наведені на рис.6. Для розподілених частотних областей нижче 300 і вище 900 Гц, обмірювані відносини К в небезпечній зоні складають значення, рівні 4, у безпечній – менш ніж 0,4. Діапазон зміни прогностичної ознаки складає, таким чином, близько 10. Для практичного застосування рекомендоване граничне значення відношення К=3, як безпечне, що обґрунтовано результатами довголітніх (близько 10 років) промислових випробувань акустичного методу прогнозу. Характер зміни прогностичної ознаки при переході з безпечної зони в небезпечну (безпосередньо перед раптовим викидом вугілля та газу) при тривалому спостереженні за роботою комбайна, показаний на рис.8.
а) б) в)
Рис.8. Зміна прогностичної ознаки (К) при тривалому спостереженні за
роботою комбайна: а – за дві доби до викиду;
б – за 2 години до викиду; в – безпосередньо перед викидом
Методика виділення прогностичної ознаки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів як функції напруженості області, що досліджується, у вигляді безмірного коефіцієнту К може бути представлена алгоритмом обробки акустичного сигналу, що пройшов скрізь масив. Розроблений таким чином алгоритм наведений на рис.9. В даному алгоритмі передбачені додаткові можливості, що включають:–
документацію поточних значень прогностичної ознаки на диаграмній стрічці самописця;–
формування опорного значення коэфіціента К, що відповідає небезпечному рівню напружень в області шару, що досліджується;–
порівняння поточних значень прогностичної ознаки з опорним значенням К, що відповідає критичному рівню;–
формування звукового сигналу оповіщання у випадку перевищення поточними значеннями К критичного рівня, що свідчить про входження у зону, яка небезпечна з раптових викидів вугілля та газу.
На базі створеного алгоритму була розроблена принципова схема спеціалізованої апаратури АК-1, в якій застосований принцип аналогової обробки сигналів. Перевагою такого підходу є низька собівартість апаратури та її висока надійність.
Рис.9. Алгоритм виділення прогностичної ознаки К з прийнятого акустичного сигналу, що пройшов крізь масив.
Перетворювання акустичної інформації, що надходить з масиву відповідно наведеному алгоритму відбувається автоматично в реальному часі. Наявною перевагою апаратури АК-1 відповідно до шахтних умов, у порівнянні з ПЕОМ, з точки зору споживчих характеристик, є повна відсутність органів управління (крім вимикача), відсутність керуючих програм, необхідності вводу – виводу інформації, що, по – перше, забезпечує можливість експлуатації її шахтним персоналом з мінімальною підготовкою, по – друге, підвищує технічну надійність та оперативність прогнозу, що видається.
Розроблені апаратурна реалізація та методика проведення вимірювань нормативно визначені як новий метод контролю викидонебезпечності вугільних пластів. Промислові випробування цього методу та апаратури АК-1 проходили у два етапи. Метою випробувань на першому етапі було встановлення інформативності частотних діапазонів сигналу, що досліджується, в залежності від гірничо – геологічних умов розробки вугільного пласту, уточнення критерію викидонебезпечності, перевірка надійності розробленого алгоритму, працездатності експериментального зразку апаратури та перевірка можливості самостійного ведення прогнозу операторами шахтної служби. Випробуванням підлягало “Временное руководство по акустическому контролю выбросоопасности угольных пластов по частотным характеристикам искусственного сигнала” та экспериментальні зразки апаратури АК-1. Для їх проведення була призначена міжвідомча комісія. За час проведення випробувань просування виробки склало 50м, газодинамічних явищ не зареєстровано, потенційно небезпечних зон за даними апаратури не визначено, підтверджена працездатність апаратури та можливість роботи з нею персоналу шахти.
Відсутність показних зон з точки зору проявів динамічних ефектів, невелике просування виробки за час випробувань зумовили необхідність проведення другого їх етапу. Згідно з рекомендаціями міжвідомчої комісії для проведення представницьких промислових випробувань на базі розробленого технічного завдання на розробку апаратури АК-1 була виготовлена дослідна партія цієї апаратури у кількості 50 комплектів, що дозволило технічно забезпечити одночасне проведення випробувань у різних гірничо-геологічних та гірничо-технічних умовах шахт Донбасу та Караганди в виробничих об’єднаннях “Донецьквугілля”, “Макіїввугілля”, “Артемвугілля”, ”Краснодонвугілля” та “Карагандавугілля”.
Результати промислових порівняльних випробувань нормативних методів прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів щодо викидів, що відбулися, представлені в таблиці 1. Промислові випробування, крім того, проводилися на шахтах “Кочегарка”, “Суходольська - східна”, “Холодна балка”, ім. Поченкова (ДХК “Артемвугілля”, ”Краснодонвугілля”, “Макіїввугілля”) по викидонебезпечних пластах. За результатами прогнозу розробленим методом в натурних умовах, похибка у розпізнаванні зон аномальних напружень масиву відносно викидів, що виникли, склала не більш ніж 19% для підготовчих виробок, не більш ніж 12% для лав. Усього було пройдено під час випробувань 2384м виробок, з котрих по лавах - 951м, по підготовчим виробкам –1433м. Приведені дані підтверджують високу надійність розробленого методу в частині завчасності та високої імовірності виявлення викидонебезпечних зон.
ВИСНОВКИ
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі уперше отриманих залежностей розповсюдження штучно збуджених акустичних коливань у вугільно-породному середовищі отримане нове рішення актуальної задачі прогнозування динамічних проявів гірського тиску у вугільних шахтах у виді раптових викидів вугілля і газу.
Основні наукові і практичні результати зводяться до наступного:
1.
Для оцінки ступеня напруженого стану привибійної зони гірського масиву вперше застосований активний метод впливу на неї акустичними сигналами, що генеровані механізмами, які працюють у забої. З одного боку це виключає залежність одержуваної інформації від природної сейсмоактивності цієї зони, з іншого боку підвищує технологічні можливості методу за рахунок відсутності в місці ведення робіт вимірювального устаткування.
2.
Встановлена закономірність змінення форми спектру штучно збудженого акустичного сигналу, що розповсюджується в масиві від рівня виникаючих у ньому напружень.
3.
Розроблений алгоритм обробки акустичної інформації, яка надходить із шахти, що разом з технологічним фактором її генерування дозволяє у реальних умовах провадити посекундний цілодобовий контроль за ступенем напруженості області гірського масиву, що відпрацьовується.
4.
Вірогідність виявлення зон аномальних концентрацій напружень у масиві розробленими методом і апаратурою значно перевищує існуючі завдяки використанню нового підходу до аналізу стану досліджуваної області – акустичному “просвічуванню” з похибкою не більш ніж 19%, що підтверджено результатами промислових випробувань.
5.
Завчасність розпізнавання зон аномальних концентрацій напружень у масиві, що є умовою розвитку раптового викиду вугілля та газу, розробленим методом складає час, достатній для проведення заходів щодо забезпечення безпеки підземного персоналу.
Таблиця 1
Результати промислових порівняльних іспитів нормативних методів прогнозу викидонебезпечності вугільних
пластів
Шахта, шар, вироблення | Прове-дено усього, м | Прогноз по АК-1 | Сейсмопрогноз | Прогноз МакНДІ |
Газодинамічні явища
Небез-печно, м | Безпечно, м | Помилка 2-го роду | Небез-печно, м | Безпечно, м | Помилка 2-го роду | Небез-печно, м | Безпечно, м | Помилка 2-го роду
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12
Ш/у “Донбас”, H6, (загрожуючий), магістральний відкіт штрек (БВР) | 340 | 17 | 323 | 5 | Трісків немає | 54 | 286 | 16—
H8, (особливонебезпечний) 5-й західний відк. штрек (БВР) | 36 | 25 | 11— | Трісків немає | Небезпечно бурити | Викид 200т,
7060 м3
H8, 4-й західний відк. штрек | 70 | 42 | 28— | Трісків немає | Небезпечно бурити | Викид 100т,
2780 м3
H8, вентиляційний ходок (БВР) | 367 | 72 | 295 | 20 | Трісків немає—
H8, лава №51 (струг) | 240 | 23 | 217 | 10 | Безлюдна виїмка——— | Викид 20т,
600 м3
H10, лава №2 (комбайн) | 130 | 0 | 130 | 0 | 0 | 130 | 0————
Шахта Засядько
L1, (небезпечний), конвейєрний ухил (комбайн) | 50 | 0 | 50 | 0———————
6.
Безперервність ведення спостереження за ступенем напруженості області гірського масиву, що відпрацьовується, дозволяє забезпечити контроль ефективності проведення противикидних заходів безпосередньо під час їхнього виконання, що додатково підвищує безпеку праці.
Збільшення ступеня вірогідності розпізнавання зон аномальних концентрацій напружень у масиві розробленим методом підвищить продуктивність праці за рахунок зменшення кількості цих зон і їхньої довжини в порівнянні з прогнозованими існуючими методами.
Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах:
1.
Масленников Е.В. Оценка возможностей способов прогноза динамических явлений на угольных пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа // Науковий вісник НГА України.- 1999.- №5. – С.60-61.
2.
Шашенко А.Н., Масленников Е.В., Аль-Сади Х.С., Янко В.И.. Затухание упругих волн в слоистых средах // Сб.науч.тр. НГА Украины. – 2000. - №10. – С.27-31.
3.
Масленников Е.В., Пашко А.Н., Аль-Сади Х. С. Оценка энергетических возможностей горного массива в зонах аномальных концентраций напряжений. // Проблемы создания новых машин и технологий: Науч. тр. КГПУ.-Кременчуг. - 2000.- Вып.2(9).- С.511-512.
4.
Мирер С.В., Масленников Е.В., Хмара О.И. Методика и аппаратура для акустического контроля выбросоопасности угольных пластов // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Научн. сообщ. ин-т. горн. дела им. А.А.Скочинского.- М., 1988.- С.20-24.
5.
Мирер С.В., Масленников Е.В., Хмара О.И. О контроле выбросоопасности забоев по спектральным характеристикам акустических сигналов. // Вопросы предотвращения внезапных выбросов: Научн. сообщ. ин-т. горн. дела им. А.А.Скочинского.- М., 1987.- С.52-61.
6.
Пат. 2753 Украина, МКИ E21F 5/00, E21C 39/00. Спосіб акустичного прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів та пристрій для його здійснення / С.В. Мірер, Є.В. Масленніков (Украина), О.І. Хмара (Россия); С.В. Мірер; заявл. 23.10.84; Опубл. 26.12.94, Бюл. №5 – I. – 2с.
7.
Пат. 43239 А УкраЇна, МКИ E21F 5/00, E21C Спосіб діагностики гірського масиву / О.М.Шашенко, Є.В. Масленніков; заявл. 24.04.01; Опубл. 15.11.01, Бюл. №10 – I. – 2с.
8.
Масленников Е.В., Пашко А.Н. Особенности и перспективы применения акустических характеристик призабойной области горного массива с целью определения зон аномальных напряжений. // Горн. информ.-аналит. бюллетень – М.: изд-во МГГУ. - 1997. - №4. - С. 129-130.
9.
Шашенко А.Н., Масленников Е.В., Пашко А.Н. The Control of an Intense Condition of Coal-Face Area of File With the Help of Acoustic Sounding // Материалы международного симпозиума MPES’98, Канада.- Калгари, 1998.-С.305-306.
Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві, полягає в такому: [2-5] – технічна ідея, постановка задачі досліджень, обґрунтування фізичних параметрів задачі, аналіз результатів; [6-7] – проведення патентних досліджень, аналіз різноманітних способів діагностики гірського масиву із погляду їх застосовності до поставленої задачі, [8,9] – постановка задачі, виконання теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз результатів.
Анотація
Масленніков Є.В. Обгрунтування параметрів прогнозу викидонебезпечності у вугільних шахтах на основі аналізу акустичного сигналу. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002р.
Дисертація присвячена питанням створення нового методу оперативної оцінки ступеня напруженого стану привибійної зони гірського масиву з метою прогнозування можливості розвитку раптового викиду вугілля та газу. Встановлені закономірності зміни спектральних складових зондуючого сигналу від рівня механічних напружень в області, яка досліджується. Результати досліджень впроваджені у галузеві нормативні документи та використовуються при проведенні прогнозу викидонебезпечності на шахтах України, в Росії та Казахстані.
Ключові слова: підготовча, очисна виробка, викидонебезпечність, раптовий викид вугілля та газу, спектр, амплітудно-частотна характеристика, акустичний метод.
Аннотация
Масленников Е.В. Обоснование параметров прогноза выбросоопасности в угольных шахтах на основе анализа акустического сигнала. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002 г.
Диссертация посвящена вопросам создания нового метода оперативной оценки степени напряженного состояния призабойной области горного массива с целью прогнозирования возможности развития внезапного выброса угля и газа. Проведен анализ существующих методов определения основных характеристик призабойной области горного массива с точки зрения оценки уровня его выбросоопасности. Выделены достоинства и недостатки этих методов. Определено, что создаваемый метод должен основываться на новом подходе к решению задачи прогнозирования динамического проявления горного давления в выработке. В основе метода лежит принцип активного зондирования исследуемой области искусственно возбужденными упругими колебаниями акустического диапазона волн. Проведена оценка уровня напряжений, возникающих в краевой части угольного пласта в случае возможного консольного защемления его породами непосредственной кровли для обоснования общих требований к точностным параметрам аппаратурного обеспечения. На основе выполненных лабораторных и аналитических исследований обоснованы и выбраны из множества частных параметров акустического сигнала составляющие, находящиеся в различных частях спектра, которые в наибольшей степени реагируют на изменение напряженного состояния ближней области массива. Установлены закономерности изменения спектральных составляющих зондирующего сигнала от уровня механических напряжений, возникающих в исследуемой области. Использование принципа активного зондирования исследуемой области искусственно сформированным акустическим сигналом позволило создать метод прогноза, не зависящий от естественной сейсмоакустической активности горного массива, таким образом, появляется возможность ведения неразрывного во времени постоянного контроля его состояния. Доказано, что в качестве источника зондирующего сигнала в горной выработке может использоваться шум механизмов, производящих работу разрушения элементов массива. Этим обеспечиваются технологические преимущества данного метода в сравнении с существующими, поскольку отпадает необходимость в установке специального источника колебаний в шахте и внесении изменений в существующую технологию ведения добычных работ. Кроме того, появляется возможность оценки эффективности применяемых противовыбросных мероприятий непосредственно во время их проведения. Новизна предлагаемого подхода защищена двумя патентами.
Выделенный прогностический признак в виде безразмерного коэффициента отношения максимальных значений амплитуд спектральных компонент зондирующих сигналов в определенных частотных областях оказывается не зависящим от уровня самого сигнала. Это с одной стороны позволит устанавливать приемный датчик на значительном удалении от места ведения работ, с другой стороны – производить оценку напряжений в исследуемой области с точки зрения возможности развития динамического явления в выработке при перемещении источника сигнала, что обеспечит высокую технологичность метода. Разработана методика выделения этого признака из общей структуры принимаемого сигнала, алгоритм обработки и структурная схема соответствующей аппаратуры. Разработано “Техническое задание на разработку аппаратуры акустического контроля выбросоопасности угольных пластов АК-1” и изготовлена опытная партия этой аппаратуры в количестве 300 комплектов. Это позволило провести представительные промышленные испытания созданного метода в различных горно-геологических условиях. Результаты промышленных испытаний метода и аппаратуры подтвердили его высокую надежность в части более высокой достоверности и заблаговременности распознавания зон, опасных по динамическим проявлениям горного давления в сравнении с существующими методами. Результаты исследований внедрены в первую редакцию отраслевого нормативного документа “Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям” в раздел “Прогноз выбросоопасности угольных пластов” и используются при ведении текущего прогноза выбросоопасности на шахтах ГХК “Макеевуголь”, “Донецкуголь” Украины, в России и Казахстане.
Ключевые слова: подготовительная, очистная выработка, выбросоопасность, внезапный выброс угля и газа, спектр, амплитудно-частотная характеристика, акустический метод.
The summary
Maslennikov E.V. The substantiation of indexes of outburst-dangerous zones forecast in the coal on the basis of acoustic method.
Thesis on completion of a scientific degree of Candidate of Engineering Science in speciality 05.15.11 “Physical Processes of Mining production”.
Thesis is devoted to the issues of the creation of new method of prompt evaluation of the degree of tense state of close-to-long wall area of rock massif with the purpose of forecasting possible occurring of sudden outburst of coal and gas.
Laws of dependence of probing signal spectral elements on the level of mechanical tensions in the field investigated have been discovered.
The method and the apparatus developed have been put into operation into specific registration documents and are used at conduction of current forecasting of possible sudden coal and gas outburst occurrence at mines of Ukraine, Russia and Kazakhstan.
Key words: preparatory, cleaning workings, sudden coal and gas outburst, spectrum, amplitude-frequency characteristics, acoustic method.
