Спосіб прогнозу газодинамічних явищ

Реферат: Спосіб прогнозу газодинамічних явищ включає установку геофона поблизу вибою, реєстрацію акустичного сигналу, визначення поточних значень низькочастотної і високочастотної складових, порівняння їх з критичними значеннями. UA 77465 U (54) СПОСІБ ПРОГНОЗУ ГАЗОДИНАМІЧНИХ ЯВИЩ UA 77465 U UA 77465 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до гірничої промисловості і може бути використана для забезпечення безпеки відпрацювання вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ. Відомий спосіб прогнозу викидонебезпеки привибійної частини гірського масиву, що полягає в установленні сейсмоприймача в гірничій виробці на відстані 8-40 м від вибою, реєстрації акустичного сигналу одночасно на двох робочих частотах вище і нижче групи резонансних частот, визначенні показника викидонебезпеки за відношенням амплітуд високою і низькою частот, при цьому сигнал реєструють тільки під час впливу гірничих машин і механізмів на масив у вибої гірничої виробки, амплітуди високочастотного і низькочастотної складових фіксують окремо, а ситуація вважається викидонебезпечною, якщо одночасно показник викидонебезпеки, низькочастотна і високочастотна складові, перевищують критичні величини, які визначають на безпечній ділянці (Патент № 17449 А, E21F 5/00, опубл. 31.10.97. Бюл. № 5). Одним з недоліків відомого способу, взятого як найближчий аналог, є те, що зі збільшенням глибини розробки вугільних пластів і ускладненням гірничо-геологічних умов, аварійну ситуацію створюють не тільки викиди вугілля та газу з характерними ознаками, а й інші газодинамічні явища, обумовлені інтенсивним впливом вуглевмісних порід на вугільний пласт. Такими газодинамічними явищами є гірські удари з ознаками, відмінними від ознак раптових викидів вугілля та газу, а також раптові видавлювання вугільного пласта. Ці газодинамічні явища також пов'язані з особливістю поведінки порід покрівлі, розвитку в них міжшарових деформацій, які знаходять відображення у спектрі акустичного сигналу, збуджуваного в масиві під час впливу гірничих машин і механізмів на вибій. Іншим недоліком способу є висока чутливість низько- і високочастотних складових спектра акустичного сигналу до гірничо-геологічних неоднорідностей вуглепородного масиву, не пов'язаних з викидонебезпекою, що призводить до помилкових прогнозів викидонебезпеки, підвищенню помилок другого роду. В основу корисної моделі поставлено задачу створення такого способу прогнозу газодинамічних явищ, в якому за рахунок залучення додаткових прогностичних параметрів збільшується точність прогнозу і забезпечується можливість, крім небезпеки викидів вугілля та газу, прогнозувати небезпеку гірських ударів і раптових видавлювань вугільного пласта. Поставлена задача вирішується тим, що в способі прогнозу газодинамічних явищ, який включає установку геофона поблизу вибою, реєстрацію акустичного сигналу, що виникає під час впливу машин і механізмів на вибій в кожному циклі його посування, визначення поточних значень низькочастотної і високочастотної складових спектра акустичного сигналу, порівнянні їх із критичними, згідно з корисною моделлю, додатково визначають нижню межу частоти ' 35 40 45 середньої амплітуди fн і повторного усереднення fн , а прогноз небезпеки видають при перевищенні поточними значеннями параметрів критичного рівня, встановлених на безпечній ділянці. Крім того, в зонах підвищеної потенційної небезпеки газодинамічних явищ, прогноз здійснюють шляхом зіставлення роздільно частотних і амплітудних прогностичних параметрів з їх критичними значеннями. Дослідженнями встановлено, що спектр акустичного сигналу, збуджуваного в шаруватому вуглепородному масиву, складається з власних (резонансних) коливань, що виникають у шарах гірських порід, розділених ослабленими міжшаровими контактами (Глікман А.Г. "Поля пружних коливань в гірських породах" - Л. 1985. ДонУЦНТІ ВІЕМС 10.04.85 № 188 мг-85). Автором встановлено функціональну залежність між відстанню від вугільного пласта до ослабленого міжшарового контакту і частотою власних (резонансних) коливань формулою: fp  50 55 fp , яка виражається c h , (1) де c  - фазова швидкість поперечних хвиль; h - відстань від вугільного пласта до ослабленого міжшарового контакту. Для більшості осадових порід Донбасу фазова швидкість поперечних хвиль визначена емпірично і дорівнює 2500 м/сек. Амплітуда резонансних частот залежить від ряду факторів, основним з яких є ступінь ослаблення контакту двох різних шарів порід: чим сильніше розвинені вздовж нього деформації (розшарування), тим інтенсивніше амплітуда. Динаміка розвитку міжшарових деформацій в породах покрівлі в процесі виймання вугілля призводить до зміни напруженого стану привибійній частини вугільного пласта, а це впливає на формування небезпечних зон за викидами вугілля та газу, гірничими ударами, видавлюванням вугільного пласта. Так, в результаті затримки міжшарових деформацій, відбувається зависання 1 UA 77465 U 5 10 15 20 25 30 порід покрівлі масиву і накопичення потенційної енергії, яка в певних умовах може перейти в кінетичну з розвитком викиду вугілля та газу, а при підвищеній міцності вугілля і вуглевмісних порід призвести до гірського удару (Бобров І.В. Способи безпечного проведення підготовчих виробок на пластах, небезпечних за викидами.- М.: Госгортехиздат, 1961.-264 с.). Вивчення поведінки порід покрівлі при раптовому видавлюванні вугілля дозволило встановити, що інтенсивний розвиток деформацій в породах покрівлі на видаленні 15-30 м від вугільного пласта призводить до відділення цієї товщі, зміщення максимуму гірського тиску вглиб, а з розвитком деформацій усередині цієї товщі - зміщення його в сторону вибою з одночасним видавлюванням вугільного пласта. Це явище розвивається також при підвищених значеннях міцності вугільного пласта - більше за 1,3 за шкалою М.М. Протод'яконова - і порід покрівлі (Коптиков В.П. та ін. Уявлення про природу і механізм раптових видавлювання вугілля// Способи та засоби створення безпечних і здорових умов праці у вугільних шахтах. - Макіївка: МакНДІ, 2004. - С. 127-135). Динаміка деформацій вуглепородного шаруватого масиву, зміна ступеня ослаблення міжшарових контактів призводить до зміни спектра акустичного сигналу, збуджуваного у вибої виробки. При затримці деформацій зменшується ступінь ослаблення контактів у породах покрівлі. Встановлено, що затримка деформацій починається з віддалених від пласта контактів (Луньов В.Г., Колчин Г.І. Динаміка привибійної частини вугільного пласта при його вийманні// Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках. Сб наук. тр. XI Міжнародної наук, школи. - Сімферополь: Таврійський нац. університет ім. В.І. Вернадського, 2001. - С. 106-107). Затримка деформацій в породах покрівлі на віддалених від пласта контактах призводить до зменшення їх ослаблення, а в спектрі акустичних сигналів цей процес відбивається у зменшенні низькочастотної складової. Деформація і руйнування порід покрівлі поблизу вугільного пласта розвиваються у міру його виймання, тому при затримці деформацій, одночасно зі зменшенням амплітуд низькочастотної складової, відбувається збільшення амплітуд високочастотної складової. Неодмінною умовою розвитку гірського удару є підвищення напруги, і накопичення потенційної енергії в привибійній частині вуглепородного масиву. Зміна міжшарових деформаційних процесів, що призводить до накопичення потенційної енергії, відбивається на зміщенні спектра акустичного сигналу в високочастотну область. Найбільш однозначно це зміщення контролюють за ступенем збільшення нижніх меж середньої амплітуди спектра fн і ' при його повторному осередненні верхньої частини спектра fн . На Фіг. 1 наведено спектри акустичного сигналу відповідно в безпечній і небезпечній зонах і 35 ' принцип визначення прогностичних параметрів: частоти максимуму спектра Fp , нижні fн і fн і ' ' верхні fв і fв межі середнього значення амплітуд A cp і повторного їх осереднення A cp , низькочастотна A н і високочастотна A в складові, робочі частоти f1 і f2 . Верхній спектр визначений на безпечній за газодинамічними явищами ділянці. Пунктирними горизонтальними лініями відзначені рівні середньої амплітуди спектра A cp і повторного 40 ' осереднення A cp . Перетин цих ліній із графіком спектра служить джерелом обчислення значень ' параметрів для прогнозу ГДЯ: нижня межа середньої амплітуди fн низькочастотна складова ' сума амплітуд спектра в інтервалі від його початку до частоти fн , високочастотна складова ' 45 сума амплітуд спектра в інтервалі від fв до кінцевої частоти спектра. На Фіг. 2 наведено спектр акустичного сигналу в умовах затримки міжшарових деформацій порід покрівлі, накопичення потенційної енергії, високої ймовірності виникнення викиду вугілля і газу або гірського удару при роботі механізмів по забою під час виймання вугілля. У таких умовах спектр акустичного сигналу зміщується в високочастотну область, збільшуються ' значення високочастотної складової A в та нижня межа fн і fн , а значення низькочастотної складової - зменшується. 50 Встановлено, що низькочастотні A н і високочастотні A в складові спектра змінюються не тільки при затримці деформацій і підвищення напружень в привибійній частині масиву, але й при зміні, наприклад, геологічної будови вуглевмісних порід. Тому для підвищення точності прогнозу викидонебезпеки необхідно оцінювати і ступінь зміщення в цілому спектра акустичного 2 UA 77465 U сигналу в високочастотну область. Таку оцінку здійснюють додатково за зсувом спектра в цілому в бік високих значень. Таким чином, при прогнозі ГДЯ застосовують два амплітудних A н 5 10 ' i A в i два частотних fн і fн параметра спектра. Відмінною особливістю запропонованого способу є також те, що на ділянках підвищеної небезпеки газодинамічних явищ: в зонах геологічних порушень, підвищеного гірничого тиску тощо, ймовірність їх виникнення суттєво збільшується, особливо на глибоких горизонтах шахт. Тому для підвищення чутливості і точності використовують прогноз ГДЯ роздільно за амплітудними і частотними параметрами. Для прогнозу раптових видавлювання вугільного пласта контроль ступеня ослаблення контактів у породах покрівлі на видаленні 15-30 м від вугільного пласта здійснюють за співвідношенням значень амплітуд спектра в інтервалі 83-167 Гц і суми всіх значень амплітуд спектра за вирахуванням рівня перешкод. Дослідженнями встановлено, що якщо відношення, обчислене за формулою: Kg  15 Aн ( Аі  А  ) , (2) де A н - сума значень амплітуд в інтервалі частот 83-167 Гц; A і - значення амплітуди частот спектра; A  - рівень фонових значень цих амплітуд, 20 25 30 35 40 45 перевищить 0,5, то це свідчить про небезпеку раптового видавлювання вугільного пласта. Для прогнозу раптового викиду або гірського удару необхідно визначити критичний рівень прогностичних параметрів. Перевищення поточними значеннями параметрів критичного рівня дозволяє говорити про можливість згаданих явищ. Граничні величини прогностичних параметрів визначають на свідомо безпечній ділянці. Для цього здійснюють набір інформації в обсязі вибірки, достатній для статистичних обчислень, по ній визначають середні значення і ступінь їх диференціації, що оцінюється за величиною середньоквадратичного відхилення (стандарту). Критичне значення прогностичного параметра дорівнює середньому, збільшеному (а для низькочастотної складової - зменшеному) на величину, кратну стандарту. Спосіб здійснюють так. Для реєстрації та передачі акустичного сигналу із вибою гірничої виробки на поверхню використовують апаратуру, яка має нижню межу частотного діапазону 20 Гц, що згідно з формулою 1, забезпечує глибинність досліджень деформаційних процесів на видаленні 125 м від вугільного пласта. До складу апаратури входить геофон з електронною схемою, що забезпечує посилення і передачу сигналу по лінії зв'язку, і наземний блок, що виконує функції введення сигналу у комп'ютер та перетворення його в аналогову форму. Геофон розміщують в шпурі, пробуреному у вугіллі або вуглевмісних породах поблизу вибою, наприклад, на відстані 8-40 м від нього. Для підвищення надійності прогнозу здійснюють селекцію акустичного сигналу, що виникає в вибої в процесі роботи гірничих машин і механізмів, а саме - виділяють сигнал, який виникає тільки при їх впливі на вибій. Дослідженнями встановлено, що акустичний сигнал, будучи відгуком масиву на механічний вплив, несе інформацію про ту частину масиву, на яку здійснюється цей вплив. Так, при впливі на забій, наприклад, гірничого комбайна, акустичний сигнал містить інформацію про ту частину масиву, в якій відбувається перерозподіл гірського тиску, затримка деформацій, підвищення напруг - основні джерела накопичення потенційної енергії, що є, в свою чергу, джерелом ГДЯ. Обробку акустичного сигналу здійснюють безперервно від початку впливу гірничого обладнання на забій до його завершення в циклі виймання вугілля. Обробка полягає в обчисленні спектрів акустичного сигналу їх підсумовуванні і обчисленні середнього спектра за весь період обробки сигналу. Середній спектр акустичного сигналу служить для обчислення прогностичних параметрів у даному циклі виїмки вугілля (поточних значень): низькочастотної A н і високочастотної A в складових спектра, нижніх меж частоти середнього рівня амплітуд fн і 50 ' повторного усереднення fн . Обчислення прогностичних параметрів здійснюють згідно з графіками, наведеними на фігурах 1 і 2. Для прогнозу раптових видавлювань згідно з формулою 2 визначають коефіцієнт K g . ' Прогностичні параметри A н , A в , fн , fн порівнюють з їх критичними значеннями, які попередньо визначають на свідомо безпечній ділянці. 3 UA 77465 U 5 10 Якщо поточне значення низькочастотної складової нижче критичного рівня, а високочастотної складової і нижніх меж осереднення спектра вище критичних значень, то видають прогноз "небезпечно" по викидах вугілля та газу, а при значеннях міцності вугілля більше 1,3 - "небезпечно" по гірських ударах. У зонах геологічних порушень і підвищеного гірського тиску прогноз "небезпечно" видають, якщо або амплітудні, або частотні прогностичні параметри перевищать критичні значення. Прогноз "небезпечно" за видавлюванням вугільного пласта видають у разі перевищення коефіцієнтом K g величини 0,5. Використання запропонованого способу дозволить підвищити точність прогнозу, розширити коло прогнозованих газодинамічних явищ, які відбуваються під час відпрацьовування вугільних пластів. Крім того, спосіб дозволяє диференційовано підходити до прогнозу газодинамічних явищ на об'єктах з різним рівнем потенційної небезпеки їх виникнення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Спосіб прогнозу газодинамічних явищ, що включає установку геофона поблизу вибою, реєстрацію акустичного сигналу, що виникає в вуглепородному масиві при впливі машин і механізмів на вибій в кожному циклі його посування, визначення поточних значень низькочастотної і високочастотної складових, порівняння їх з критичними значеннями, який відрізняється тим, що додатково визначають нижню межу частот середньої амплітуди f н та повторного осереднення f н' , а прогноз "небезпечно" видають при перевищенні поточних значень параметрів встановленого на безпечній ділянці критичного рівня. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при підвищенні потенційної небезпеки газодинамічних явищ, прогноз здійснюють окремо за амплітудним і частотним параметрами. 25 4 UA 77465 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 5