Спосіб локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями

Реферат: Спосіб локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями включає реєстрацію сейсмічних подій шляхом моніторингу за допомогою мережі сейсмоприймачів, встановлених в межах шахтного поля з урахуванням реальної чутливості кожного сейсмічного пункту, обчислення координат і сейсмічної енергії подій по моментах перших вступів прямих подовжніх хвиль, побудову карт сейсмічної активності. Спочатку шахтне поле розділяють на певні площадкові ділянки, потім вибирають базовий часовий інтервал для прогнозу, для кожної ділянки в цьому інтервалі виконують оцінку кількості зареєстрованих сейсмоакустичних подій з величинами енергії, що мають різний ступеневий порядок, потім у білогарифмічному масштабі будують графік залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії події. Виконують його лінійну апроксимацію, після чого по зміні тангенса кута нахилу графіка судять про динаміку ударонебезпеки ділянки. UA 71276 U (12) UA 71276 U UA 71276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гірничої промисловості і може бути використана для забезпечення безпеки ведення очисних і підготовчих робіт і при розробці викидонебезпечних вугільних пластів. Відомий спосіб прогнозування викидонебезпечності привибійної частини гірничого масиву (патент 50901А, Україна, МПК E21F 5/00, опубл. 15.11.2002), що полягає в реєстрації генерованого в привибійній частині масиву механізмами акустичного сигналу сейсмоприймачами, встановленими у вибої, вимірюванні поточних значень високочастотної та низькочастотної складових і порівнянні їх з критичними значеннями, визначеними на безпечній ділянці, при цьому додатково визначають енергію акустичного сигналу, причому останній реєструють одночасно двома сейсмоприймачами, розташованими з двох сторін вибою, а поточні та критичні величини визначають у рівновеликих інтервалах. Реєстрація акустичного сигналу тільки двома сейсмоприймачами суттєво знижує точність визначення поточних значень складових сигналу, а розрахунки енергії акустичного сигналу без її класифікації по ступеневому порядку та прив'язки до конкретної ділянки не дозволяють виконувати прогнозування динамічної активності стосовно рівня (ступеня) безпеки та місця можливого прояву динамічного явища. Відомий також спосіб контролю стану привибійної частини масиву (патент 79827, Україна, МПК E21F 5/00, Е21В 47/00, G01V 1/00, опубл. 25.07.2007), що включає встановлення датчика вібрації масиву і реєстрацію акустичного супроводження буріння випереджуючих свердловин по вугіллю і поінтервальне визначення параметрів, що характеризують стан масиву, який відрізняється тим, що заздалегідь у напрямку проведення виробки по вміщувальних породах на відстані 5-15 м від вугільного пласта бурять наглядову свердловину завдовжки 0,4-0,6 довжини випереджуючих свердловин, розміщують в ній датчик вібрації і спостерігають акустичну емісію (АЕ) з вугільного пласта, що викликається бурінням кожної випереджуючої свердловини, при цьому АЕ реєструють при бурінні кожного чергового інтервалу випереджуючої свердловини в двох енергетичних класах, відмінних по енергії в 4-6 разів, і по співвідношенню кількості імпульсів АЕ в різних класах, визначеному для кожного інтервалу довжини випереджуючої свердловини, судять про глибину зони розвантаження, причому найбільшу можливу довжину західки у наступному циклі гірничих робіт визначають по зниженню співвідношення кількості імпульсів АЕ і значень, зареєстрованих на початку свердловини при проведенні свердловини в раніше розвантаженій зоні, і після закінчення буріння чергової випереджуючої свердловини чекають загасання процесу генерації імпульсів АЕ, викликаного порушенням рівноваги в масиві під впливом цієї свердловини, потім контролюють щупом стулення стінок випереджуючої свердловини і при встановленні стулення стінок випереджуючої свердловини розраховують діаметр зони впливу свердловини за формулою. Недоліком указаного способу є те, що для спостерігання імпульсів АЕ необхідно бурити випереджуючу наглядову свердловину. Визначення енергії для кожного інтервалу довжини випереджуючої свердловини дозволяє прогнозувати стан привибійної частини масиву лише вздовж свердловини, але не дозволяє робити висновки стосовно зміни динамічної обстановки конкретної ділянки шахтного поля. Реєстрація АЕ лише в двох енергетичних класах, відмінних по енергії в 4-6 разів, суттєво зменшує діапазон розбіжностей сейсмічних явищ по енергії, що знижує інформативність методу контролю, а отже і безпеку робіт. Крім того цей спосіб не дозволяє вираховувати координати сейсмічних явищ і таким чином будувати прогнозні карти сейсмічної активності. Найбільш близьким аналогом корисної моделі є спосіб локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями (патент 2279543, Росія, МПК Е21С 39/00, опубл. 10.07.2006), який включає реєстрацію сейсмічних подій шляхом моніторингу за допомогою мережі сейсмоприймачів, встановлених в межах шахтних полів з урахуванням реальної чутливості кожного сейсмічного пункту, обчислення координат і сейсмічної енергії подій по моментах перших вступів прямих подовжніх хвиль, визначення "механізмів" осередків, побудову карт сейсмічної активності в ізолініях, який відрізняється тим, що ділянки шахтних полів, розташовані усередині ізоліній зі значенням 15, розглядають як реально небезпечні по динамічних проявах гірського тиску, для подій з квадрантним розподілом знаків перших вступів визначають положення в просторі площин переміщення, оцінюють напрями дії головної напруги в контрольованому масиві гірських порід, причому для оцінки вибухового еквіваленту динамічних проявів гірського тиску використовують залежність. Цей винахід не може бути реалізований з наступних причин: - застосування вибухового еквівалента динамічних проявів гірського тиску не відбиває істинного характеру сейсмічної події зважаючи на те, що його природа відмінна від природи 1 UA 71276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вибуху (передвісники зародження, розмитість джерела, швидкість протікання, напрям поширення, характер виділення енергії та ін.); - для різних гірничо-геологічних умов критичні значення ізоліній вимагається визначати емпіричним шляхом, що ускладнює застосування способу; - спосіб не дозволяє розглядати динаміку зміни сейсмічної небезпеки, тобто відносну міру її погіршення або поліпшення. У основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями, у якому за рахунок введення нових операцій забезпечується підвищення точності визначення динаміки зміни стану масиву в часі і, як наслідок, підвищення безпеки ведення гірських робіт. Поставлена задача вирішується тим, що в способі локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями, який включає реєстрацію сейсмічних подій шляхом моніторингу за допомогою мережі сейсмоприймачів, встановлених в межах шахтного поля з урахуванням реальної чутливості кожного сейсмічного пункту, обчислення координат і сейсмічної енергії подій по моментах перших вступів прямих подовжніх хвиль, побудові карт сейсмічної активності, згідно з корисною моделлю, шахтне поле розділяють на певні площадкові ділянки, вибирають базовий часовий інтервал для прогнозу, для кожної ділянки в цьому інтервалі виконують оцінку кількості зареєстрованих сейсмоакустичних подій з величинами енергії, що мають різний ступеневий порядок, потім у білогарифмічному масштабі будують графік залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії події, виконують його лінійну апроксимацію, після чого по зміні тангенса кута нахилу графіка судять про динаміку ударонебезпеки ділянки. Розподіл шахтного поля на певні площадкові ділянки дозволяє уточнити зону шахтного поля, в якій по зміні сейсмічної енергії і обчислених координатах вогнищ сейсмічних подій судять про динаміку ударонебезпеки цієї зони. Вибір базового тимчасового інтервалу для прогнозу дозволяє задати міру деталізації динаміки зміни сейсмічної ситуації, яка складається у вибраній площадковій ділянці шахтного поля, що підвищує достовірність прогнозу. Варіювання тимчасового інтервалу дозволяє встановити оптимальний проміжок, на якому якнайповніше простежується динамічний характер зміни сейсмологічної обстановки. Виконання оцінки у вибраному тимчасовому інтервалі кількості зареєстрованих сейсмоакустичних подій з величинами енергії, що мають різний ступеневий порядок, за певний проміжок часу для кожної ділянки дозволяє достовірно визначити факт збільшення або зменшення подій різного ступеневого порядку, і чим більше диференційовано розділені рівні енергії сейсмоакустичних подій по класах в заданому тимчасовому інтервалі, тим точніше встановлюється динаміка зміни ситуації на кожній виділеній ділянці. Побудова графіка залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії подіїу білогарифмічному масштабі дозволяє упорядкувати стохастичний характер динамічного хаосу, властивого будь-яким сейсмоакустичним явищам, і представити його у вигляді ймовірнісних залежностей, що найбільш повно відбивають об'єктивні закономірності взаємозв'язку кількості сейсмоакустичних подій в різних енергетичних класах. Виконання лінійної апроксимації цього графіка і визначення динаміки ударонебезпеки ділянки по зміні тангенса кута нахилу графіка забезпечує усереднювання імовірнісних залежностей сейсмоакустичних подій з різними класами енергії і прогнозування по тангенсу кута нахилу графіка зміни міри небезпеки у більшу або меншу сторону. Загальними ознаками прототипа та способу, що заявляється, є реєстрація сейсмічних подій шляхом моніторингу за допомогою мережі сейсмоприймачів, встановлених в межах шахтного поля з урахуванням реальної чутливості кожного сейсмічного пункту, обчислення координат і сейсмічної енергії подій по моментах перших вступів прямих подовжніх хвиль, побудова карт сейсмічної активності. Відмітними ознаками є те, що шахтне поле розділяють на певні площадкові ділянки, вибирають базовий часовий інтервал для прогнозу, для кожної ділянки в цьому інтервалі виконують оцінку кількості зареєстрованих сейсмоакустичних подій з величинами енергії, що мають різний ступеневий порядок, потім у білогарифмічному масштабі будують графік залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії події, виконують його лінійну апроксимацію, після чого по зміні тангенса кута нахилу графіка судять про динаміку ударонебезпеки ділянки. Таким чином, за рахунок названих ознак може здійснюватися середньо- і довгостроковий прогноз ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями, тобто може відстежуватися динаміка зміни стану вибраної площадкової ділянки масиву шляхом 2 UA 71276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 порівняння тангенса кута нахилу побудованого у білогарифмічному масштабі графіка залежності кількості подій в заданому проміжку часу від енергії події на цій ділянці. Виконують спосіб таким чином. Спочатку необхідно виділити на шахтному полі площадкові ділянки, які перекривають області, на яких планується проведення робіт видобування. На кожній ділянці встановлюють мережу сейсмоприймачів, які максимально можливо оконтурюють вибрані ділянки. Реєстрацію сейсмічних подій виконують шляхом безперервних сейсмологічних спостережень за допомогою системи візуалізації і обробки інформації про динамічні явища у вугільних шахтах з цифровою передачею сейсмометричних сигналів, що складається з мережі підземних точок реєстрації і поверхневої приймально-оброблювальної частини. Сейсмоакустична система налагоджена таким чином, що усі датчики працюють в режимі очікування геодинамічного явища. Діючою системою моніторингу регулярно фіксуються невеликі локальні сейсмічні події. Записи подій, як правило, містять пакети подовжніх хвиль і інтенсивніші пакети поперечних хвиль. Частотний діапазон зареєстрованих сигналів складає від 10 до 130 Гц. Обробка сейсмічних записів включає визначення координат гіпоцентрів, оцінку сейсмічної енергії, що виділилася, а також ідентифікацію типу явища (технологічний вибух, природна подія). Операторами виконується розрахунок координат гіпоцентру і енергії явища. На основі отриманих результатів спостережень складається база даних, яка надалі використовується для вивчення сейсмічного режиму шахти, виділення активних зон і динаміки їх розвитку. Виконується сортування подій з бази даних на предмет вибору тих з них, які потрапили в межі виділених ділянок. По кожній ділянці базовий часовий інтервал вибирають, виходячи з міри деталізації динаміки зміни сейсмічної ситуації, що складається у вибраній площадковій ділянці шахтного поля. Варіювання тимчасового інтервалу дозволяє встановити оптимальний проміжок, на якому якнайповніше простежується динамічний характер зміни сейсмологічної обстановки. Усі події з базового тимчасового інтервалу, які потрапили в межі виділеної ділянки, сортуються по енергії з урахуванням її ступеневого порядку, потім у білогарифмічному масштабі будується графік залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії події. Виконують його лінійну апроксимацію і по зміні тангенса кута нахилу графіка судять про динаміку ударонебезпеки вибраної ділянки. Збільшення тангенса кута нахилу свідчить про ріст ударонебезпеки ділянки, зменшення ж - навпаки. На ділянках із складними гірничо-геологічними умовами, або ж якщо у вибраному тимчасовому інтервалі фіксується різке збільшення кількості подій, зменшують базовий часовий інтервал для детальнішого дослідження зміни динамічної обстановки. Якщо перед проведенням лінійної апроксимації отримані залежності з кількістю точок на графіках менше чотирьох, або після проведення апроксимації спостерігається стійка тенденція до зменшення кута нахилу графіка, то для побудови початкових залежностей слід використовувати вужчі діапазони енергії для деталізації динамічної картини. Запропонований спосіб локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями пояснюється графіком, де показані апроксимації графіків білогарифмічних залежностей кількості сейсмічних подій від величини їх енергії за певні рівні проміжки часу (на цьому прикладі - за 9 місяців). Приклад конкретного виконання способу. Параметри способу були перевірені на шахті ім. А.Ф. Засядька під час проведення випробувань системи багатоканального сейсмоакустичного контролю спільно з Інститутом геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова HAH України. В процесі проведення робіт по видобутку вугілля при відпрацюванні пласта m 3 18-ої східної лави в її околиці були встановлені сейсмометри, які реєстрували акустичні імпульси, що виходять з масиву. Використовувалася система візуалізації і обробки інформації про динамічні явища у вугільних шахтах з цифровою передачею сейсмометричних сигналів. При відпрацюванні 18 східної лави область концентрації сейсмоакустичних явищ переміщалася услід за просуванням забою. Формування гіпоцентрів при цьому частково узгоджене з кроком посадки основної покрівлі, який складає 60-80 м, а частково з перерозподілом напруги попереду забою при очисних роботах. Після статистичної обробки отриманих сейсмоакустичних даних побудовані залежності, які приведені на графіку. При побудові враховано 948 подій, узятих за період з 01 травня 2008 року по 31 січня 2009 року. Аналіз графіків дозволяє зробити наступні висновки. Тангенс кута нахилу графіків при відпрацюванні лави збільшується, що говорить про зменшення числа подій з високими енергіями. Це свідчить про зниження рівня напружено-деформованого стану масиву в зоні 3 UA 71276 U проведення досліджень у вказаний проміжок часу, а значить - незначну вірогідність виникнення катастрофічних геодинамічних явищ. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб локального прогнозу ударонебезпеки масиву гірських порід за сейсмологічними спостереженнями, який включає реєстрацію сейсмічних подій шляхом моніторингу за допомогою мережі сейсмоприймачів, встановлених в межах шахтного поля з урахуванням реальної чутливості кожного сейсмічного пункту, обчислення координат і сейсмічної енергії подій по моментах перших вступів прямих подовжніх хвиль, побудову карт сейсмічної активності, який відрізняється тим, що спочатку шахтне поле розділяють на певні площадкові ділянки, потім вибирають базовий часовий інтервал для прогнозу, для кожної ділянки в цьому інтервалі виконують оцінку кількості зареєстрованих сейсмоакустичних подій з величинами енергії, що мають різний ступеневий порядок, потім у білогарифмічному масштабі будують графік залежності кількості подій в заданий проміжок часу від енергії події, виконують його лінійну апроксимацію, після чого по зміні тангенса кута нахилу графіка судять про динаміку ударонебезпеки ділянки. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4