Акустическая геолокация как часть системы геомеханического мониторинга

Прогноз структурных особенностей породных массивов имеет решающее значение для эффективной и безопасной добычи полезных ископаемых. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых провоцирует техногенное воздействие на весь породный массив. Проявляется оно в перераспределении давления и может привести к полному или частичному разрушению породного массива на отдельных участках, которые выделяются физическими свойствами или геологическим строением.

Тектоника шахтного поля является самым часто встречающимся геологическим фактором, который существенно осложняет, а нередко и прекращает ведение горных работ на отдельных участках шахтных полей. Зачастую она проявляется в двух видах: пликативные (складки, флексуры) и дизьюнктивные (взбросы, надвиги, сбросы и др.) нарушения. На участках шахтного поля с развитой тектоникой резко снижается подвигание забоев, осложняются условия работы в связи с нарушенностью сплошности угольных пластов, поступлением воды и газа по трещинам нарушений, загрязненностью угля породой и т.д.

Крупные тектонические нарушения зачастую возможно выявить разведочными работами, которые проводятся до закладки шахты или при доразведке шахтного поля в процессе эксплуатации. Однако, более опасным оказывается столкновение с мелкими не выявленными разведочными работами, так называемыми микротектоническими нарушениями, с амплитудой от нескольких сантиметров до нескольких метров. Столкновение с невыявленной малоамплитудной тектоникой приводит к остановкам работ, к применению непредусмотренных планом дорогостоящим инженерным мероприятиям, а иногда даже к катастрофам.

Попытки решения задачи прогноза состояния породного массива при ведении горных работ были самые разные, например, шахтная сейсморазведка [1], метод акустической томографии RockVision3dтм [7, 10], использовании георадаров описанных ещё Ф. Крауфордом и др. В шахтных условиях наиболее широко применяется сейсмоакустический метод прогноза состояния и свойств породного массива. По оценкам специалистов [1] средний уровень его достоверности не превышает 60%. Отсюда можно сделать вывод о том, что в настоящее время отсутствует надежные методики прогноза состояния породных массивов и их совершенствование является чрезвычайно актуальной задачей.

Возможным эффективным и надежным методом оперативного прогноза состояния породного массива является метод акустического контроля. Этот подход к оценке нетронутой части породного массива с помощью активного зондирования акустическими сигналами значительно проще, как в части обеспечения вычислительным аппаратом, так и в части получения оперативной информации.

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых на малых и средних глубинах, а также дальнейшее возрастание потребностей в них для развития мировой экономики предполагает дальнейшее увеличение глубины разработки [8]. Так, интенсивная добыча угля в Донбассе привела к увеличению средней глубины разработки на шахтах за последние 25 лет почти на 200 метров (рис. 1), а существующие темпы разработки способствуют ее ежегодному понижении на 10-15 м. Горные работы на шахтах, дающих основную добычу угля по отрасли, достигли отметок 950-1000 м, а отдельные угольные пласты разрабатываются на глубинах 1200-1400 м [9].

Рис. 1. Рост средней глубины разработки в Донбассе.

Анализ геологических показателей, приведенных в Прогнозном каталоге шахтопластов Донецкого угольного бассейна [5], показывает хоть и незначительное, но устойчивое увеличение числа нарушенных пластов с ростом глубины их расположения (рис. 2) [6].

Рис. 2. Зависимость частоты нарушенности угольных пластов n от глубины их расположения Н.

Исследования изменения количества и типов малоамплитудных по глубине и простиранию [4] на примере нескольких шахт Донбасса показаны на рис. 3.

Рис. 3. Изменение плотности (шт/км) малоамплитудной нарушенности угольных пластов с глубиной. Шахты: I – им. Ю.А. Гагарина, II – «Комсомолец, III – им. В.И. Ленина, IV – «Кочегарка».

Из рис. 3 видно, что на всех исследуемых шахтах изменение плотности (шт/км) малоамплитудной нарушенности угольных пластов с глубиной увеличивается, при этом характер ее увеличения неодинаков.

Из этого следует, что разработка надежной методики определения структуры отрабатываемого породного массива является острой актуальной проблемой.

Авторами была поставлена задача совершенствования способа прогноза невыявленных малоамплитудных геологических нарушений породного массива методом неразрушающего контроля уже в процессе отработки лавы.

В качестве объекта исследований выбрана лава № 1086 характеризующаяся наличием зон геологических нарушений, удобством проведения акустических измерений с применение аппаратуры АК-1М благодаря наличию пройденных подготовительных выработок по бортовому и сборному штрекам и наличию линии связи.

Наличие пройденных подготовительных выработок вдоль неотработанной части столба позволяет обеспечить возможность его акустического попикетного «просвечивания» с целью выявления возможных неоднородностей в виде геологических нарушений и локализовать места их расположения

Исследования проводились по подготовленным к измерениям шпурам на пикетах №№ 19,22,25,34,44 (согласно плана отработки павы). Датчики, попарно последовательно переставляются вдоль всей длины лавы в шпуры через равные интервалы. При этом один датчик устанавливался в скважину, другой датчик находится в штреке в зоне действия заряда взрывчатого вещества. Шпуры с взрывчатым веществом и скважины с датчиком расположены соосно (в разумных допусках) по разные стороны лавы. Извлечение датчика из скважины и перенес на новое место осуществляется параллельно с наращиванием линии связи по двум выработкам одновременно. Шпур готовится под следующий заряд взрывчатого вещества и к нему переносится датчик №2 со второй линией связи. С одной стороны горного массива, мощностью 287 метров, инициировался волновой пакет методом взрыва взрывчатого вещества массой 400 гр., время взрыва t 0 фиксировалось датчиком вибраций 1. Функция энергии волнового пакета, диспергировавшего в углепородном массиве, фиксировалась приемником – датчиком вибраций 2, расположенном на другой стороне массива.

Сигналы датчиков передавались на поверхность, где синхронно преобразовывались в цифровую форму с параметрами: динамический диапазон квантования 16 бит, частота дискретизации f_d =41100 Hz и записывались на диск персонального компьютера. Программирование алгоритма обработки производилось в среде пакета программ MatLab.

Обработка информации заключалась во взаимной увязке всех полученных данных с целью получения целостной картины процесса изменения напряженного состояния массива и отбора промежутков времени, соответствующих проведению контрольных взрывов в выработке. Этот отбор производился на основании данных, полученных по линиям связи из выработки и зарегестрированных на ПК. Функции принятых сигналов приведены на рис. 4.

- функция исследуемого сигнала на пикете 19

- функция исследуемого сигнала на пикете 22

- функция исследуемого сигнала на пикете 25

- функция исследуемого сигнала на пикете 34

- функция исследуемого сигнала на пикете 44

Рис. 4. Функции принятых сигналов.

Анализ графиков датчика вибраций 2 позволяет сделать следующие выводы:

• •    сигналы содержат 3 – 4 волновых пакета, первый является информационным, остальные искажены отражениями от стенок волновода;

• •    сигналы для всех пикетов отличны друг от друга, что соответствует различным волновым векторам и фазовым скоростям [3] составляющих пакета;

• •    без расчёта параметров, очевидно, что сигналы не обладают свойством стационарности, т.о. необходимо учитывать возможную погрешность при применении методов спектрального анализа [2];

• •    низкочастотная огибающая первого волнового пакета модулирована высокочастотными компонентами, которые несут информацию о неровностях стенок волновода.

Анализ результатов расчётов полных фаз сигналов приведены позволяет сделать следующие выводы:

• •    сигналы несущих с минимальной девиацией фазы отличаются от максимальных составляющих спектрального анализа, что соответствует выводам о погрешностях последнего;

• •    максимальные девиации фазы наблюдаются на временных интервалах, соответствующих расстояниям до геологических нарушений по оси волновода при масштабировании временного интервала анализа T p на ось x волновода.

Для анализа высокочастотных компонент несущих информацию о неровностях стенок волновода в сигналах была отфильтрованы несущие с частотами (60-120) Hz и выполнены расчёты полной фазы в соответствии с предыдущим анализом. Анализ этих расчётов позволяет сделать следующие выводы:

• •    сигналы несущих с минимальной девиацией фазы, также как и в предыдущем анализе, отличаются от максимальных составляющих спектрального анализа, что соответствует выводам о погрешностях последнего;

• •    частоты несущих с минимальной девиацией фазы на порядок выше частот низкочастотной огибающей, что соответствует разрешению этих сигналов по оси x ;

• •    информативность исследованных сигналов должна быть исследована дополнительно после выработки массива на исследуемом участке лавы.

В соответствии с выводами анализа низкочастотных и высокочастотных сигналов геолокации были разработаны прогнозные карты геологических нарушений на исследуемом участке.

Выводы.

Приведенные результаты обработки акустической информации, полученной на основании экспериментов по прозвучиванию целика неотработанной части лавы 1086 основаны на использовании ранее известных в технике радиолокации принципов анализа отраженных от объектов сигналов, принятых на приемной стороне. При этом учитывалось доплеровское смещение частот в спектре сигналов, вызванное одно, двух и более кратным их отражением от границ возможных внутренних поверхностей, характерных для рассматриваемого объекта исследований. Для источника сигнала подразумевалось наличие информации о главных его параметрах в виде возмущения δ- функций известной мощности. Сложность обработки акустической информации, полученной из углепородного массива классическими подходами, применяемыми в технике радиолокации, заключаются в различии прочностных (скоростных) параметров среды распространения (постоянной в случае использования электромагнитных волн), вызванной неоднородностью горного массива, непостоянством среды в пределах одного слоя, а также изменениями свойств среды за счет вариаций напряженного состояния.

В данном исследовании авторами в качестве источника виброакустического сигнала использовался заряд взрывчатого вещества. В дальнейших исследованиях планируется использовать в качестве источника сигнала звук работающих механизмов комбайна. При анализе сигнала будут учтены скорость передвижения комбайна, скорость вращения фрезы (количество оборотов в минуту или секунду), количество зубцов на фрезе, количество фрез на комбайне, физико-механические свойства пород сканируемого массива.

Разработанная методика проведения исследований подтвердила свою работоспособность в целях обеспечения томографии нетронутой области массива для условий шахты «Днепровская».