Спосіб сейсмічної діагностики геодинамічного стану гірського масиву

Спосіб сейсмічної діагностики геодинамічного стану гірського масиву, що включає приймання сейсмічного сигналу в гірському масиві під час 3 26538 сейсмічних сигналів у гірському масиві під час ведення добувних робіт в очисній виробці, відповідно до корисної моделі, виконують вимірювання частоти й енергії власних згинальних коливань консольної частини основної покрівлі і при досягненні значення частоти цих коливань величини 1,3 її значення, визначеного раніше в момент, що передує обваленню основної покрівлі, і при досягненні значення енергії цих коливань величини 0,7 її значення, також визначеного раніше в момент, що передує обваленню основної покрівлі, визначають виникнення небезпечної геодинамічної ситуації в гірському масиві, при цьому сейсмічні сигнали реєструють одночасно з двох сторін контрольованої очисної виробки або з одної її сторони з фіксацією місцеположення добувного комбайна по довжині очисної виробки. Схема реалізації способу показана на Фіг.1 у вертикальній площині, перпендикулярній лінії очисного вибою, де 1 - очисний вибій, 2 - вугільний пласт, 3 - безпосередня покрівля, 4 - основна покрівля, 5 - максимум епюри опорного тиску у вугільному пласті від безпосередньої покрівлі, 6 - максимум епюри опорного тиску у вугільному пласті від основної покрівлі, 7 - породний масив над основною покрівлею. Спосіб реалізується таким чином. У гірський масив попереду очисної виробки встановлюють приймач пружних коливань, що забезпечує приймання сейсмічних сигналів з одним коефіцієнтом перетворення в діапазоні частот від декількох герц до 100 герц і виконують безперервну реєстрацію сейсмічної інформації у процесі роботи добувного комбайна. У міру відпрацювання в очисному вибої 1 вугільного пласта 2 (див. Фіг.1) зростає довжина консольної частини безпосередньої покрівлі 3 й основної покрівлі 4. Безпосередня покрівля, маючи, як правило, невелику потужність (~2-3м) і низькі міцнісні властивості її породного складу (сланці, аргіліти), в консольній частині обвалюється за кріпленням очисного вибою, а її частина, що залишилася над кріпленням, робить навантаження на крайову область вугільного пласта з положенням максимуму епюри її опорного тиску 5 на пласт на його глибині приблизно 1,5-2 значення потужності пласта (див. Фіг.1). Основна покрівля 4 пласта, маючи значно велику потужність (близько 20-40 метрів) і міцний породний склад (пісковики), в консольній частині може досягати довжини декількох десятків метрів з наданням значного навантаження на пласт (що на порядки перевищує навантаження від безпосередньої покрівлі) і розташуванням максимуму епюри її опорного тиску на пласт (див. позицію 5 на Фіг.1) на віддаленні від його оголення в очисному вибої до 5-10 метрів, в області її затискання між безпосередньою покрівлею 3 і вищележачими породами 7. При цьому основна покрівля, що є консольно закріпленою пластиною, володіє власними згинальними коливаннями, частота яких знижується із збільшенням довжини консольної частини при зростанні з її довжиною енергії цих коливань. Частота й енергія коливань консольної частини визначається її довжиною, потужністю основної покрівлі, блоковістю і пружними характеристиками її порід і 4 в реальних умовах змінюється від десятків герц (за малої довжини консольної частини) до 5-20 герц (за критичної довжини консольної частини перед її обваленням). За критичної довжини консольної частини з досягненням межі міцності на розрив в області затискання основної покрівлі відбувається її відрив від основного масиву. Цьому моменту передують найбільш низькі значення частоти власних згинальних коливань консольної частини і найбільш високі значення їхньої енергії (див. Фіг.2 і Фіг.3). У момент обриву консольної частини основної покрівлі відбувається різке зняття навантаження з вугільного пласта в області максимуму епюри опорного тиску від основної покрівлі (позиція 6 на Фіг.1) і динамічний вплив консольної частини, що обірвалася, на область пласта ближче до максимуму опорного тиску від безпосередньої покрівлі (позиція 5 на Фіг.1). Унаслідок цього впливу масивної частини основної покрівлі відбувається деструкція вугільного пласта за максимумом епюри опорного тиску від безпосередньої покрівлі із значним зростанням тиску вільного метану в цій області. Динамічний вплив передається також через безпосередню покрівлю і на крайову частину вугільного пласта, з можливістю його руйнування до глибини, достатньої для прориву тиску газу в деструктованій області і виникнення раптового викиду вугілля і газу з цієї області в очисний вибій. У разі достатньої міцності крайової частини пласта для стримування тиску газу дестр уктованої області ця область перебуває в закупореному стані до моменту її подальшого розкриття добувним механізмом і розвитком раптового викиду вугілля і газу. Критичні значення частоти й енергії власних згинальних коливань основної покрівлі, що передують її відриву в області затискання, можуть бути визначені в якому-небудь циклі перед її обваленням і використані в подальшому як діагностичні критерії її стану. Як правило, з моменту виникнення коливань основної покрівлі (після досягнення певної довжини її консольної частини) і до моменту її обвалення частота її коливань знижується в 3-5 разів (від 70-80Гц до 10-20Гц), при цьому енергія цих коливань зростає до 10 і більше разів. Стан основної покрівлі є безпечним, коли частота її власних згинальних коливань перевищує критичний рівень частоти в 1,3 рази, а енергія коливань не перевищує рівень 0,7 величини критичного значення енергії перед обваленням основної покрівлі. Ці значення частоти й енергії коливань основної покрівлі передбачають певний запас її безпечного стану з урахуванням можливої природної флуктуації її міцнісних властивостей. У разі досягнення цих величин необхідно припиняти добувні роботи в очисній виробці і проводити профілактичні заходи з розвантаження і дегазації пласта та/чи примусового обвалення основної покрівлі. За пропонованим способом передбачається здійснювати реєстрацію сейсмічних сигналів в частотному діапазоні 5-100Гц, що забезпечує достатню повноту інформації про власні згинальні коливання консольної частини основної покрівлі в різних гірничо-геологічних умовах. При цьому сейсмічні сигнали, що викликаються роботою вироб 5 26538 ничого устатк ування (добувний комбайн, конвеєр і ін.), знаходяться в більш високочастотному діапазоні (200-1000Гц) і не є істотною перешкодою для реєстрованої інформації. З урахуванням низької частоти власних згинальних коливань консольної частини основної покрівлі і, відповідно, можливості їх поширення без істотного загасання у вуглевміщувальному масиві, приймач пружних хвиль може встановлюватися як у вугільний пласт (у свердловині за розущільненою крайовою частиною пласта), так і в монолітну частину покрівлі або підошви пласта поблизу очисної виробки. При використанні одного пункту приймання пружних хвиль, для визначення місцеположення області формування небезпечної геодинамічної ситуації, за пропонованим способом передбачається відстеження положення очисного комбайна по довжині очисної виробки. Оскільки, як відомо, небезпечні динамічні явища в очисній виробці відбуваються тільки поблизу місця виймання вугілля, то при виникненні небезпечних значень частоти й енергії власних згинальних коливань основної покрівлі по положению добувного комбайна по довжині очисної виробки визначають місцеположення небезпечної області. При реєстрації за способом сейсмічних сигна 6 лів одночасно двома пунктами приймання по обидві сторони очисної виробки місцеположення небезпечної області по довжині очисної виробки може бути визначено по різниці часу приходу пружних хвиль в пункти приймання за відомої швидкості їх поширення в даних умовах. Використання в способі двох фізично обґрунтованих критеріїв стану основної покрівлі вугільного пласта визначає високу достовірність оцінки геодинамічного стану гірського масиву, а пропоновані операції визначення небезпечних значень частоти й енергії власних згинальних коливань консольної частини основної покрівлі внаслідок їх формализованості визначають можливість автоматизації процесу діагностики стану вуглепородного масиву. Джерела інформації 1. Руководство по прогнозу выбросоопасности угольных ша хтопластов и отдельных зон на шахтах Донбасса. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1970. 2. А.с. №861648 СССР, Е21F 5/00. Способ определения выбросоопасных участков угольного пласта при ведении горных работ в очистных и подготовительных выработках / СВ. Мирер и Л.Г. Горелик (СССР). - №2867046/22-03; Заявл. 10.01.80; Опубл. 07.09.1981, Бюл. №33. 7 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 26538 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601