Научные основы и прогноз опасности внезапных выдавливаний угля по параметрам акустического сигнала

Научные основы и прогноз опасности внезапных выдавливаний угля по параметрам акустического сигнала

Коптиков В. П., Евдокимова В. П., Южанин И. А., Акчурин В. А.

Установлено, что определяющим фактором возникновения внезапных выдавливаний угля является изменение режима нагружения краевой части пласта породами кровли, которое охарактеризовано параметрами амплитудно-частотного спектра акустического сигнала, инициируемого в горном массиве. На основе изменения параметров акустического сигнала разработан прогноз опасности по внезапным выдавливаниям угля.

С увеличением глубины разработки угольных пластов в Донбассе возрастает уровень проявления внезапных выдавливаний угля по отношению к другим видам газодинамических явлений (ГДЯ). Повышению уровня способствовало широкое распространение, начиная с 70-х годов прошлого столетия, разработки крутых пластов широкими полосами по падению с помощью щитовых агрегатов, при которой в забое исключается сила тяжести нависающего угля, и внезапные выбросы угля и газа не реализуются в полной степени, а останавливаются на стадии внезапных выдавливаний угля. В период наибольшего применения щитовых агрегатов 75% всех происходящих ГДЯ квалифицировалось как внезапные выдавливания угля.

До настоящего времени внезапные выдавливания угля остаются наименее изученным видом ГДЯ по сравнению с внезапными выбросами угля и газа, горными ударами, внезапными обрушениями угля. В отраслевом стандарте СОУ 10.1.00174088.005-2004 [1], регламентирующем вопросы безопасной разработки пластов, склонных к внезапным выдавливаниям угля (вошедшем составной частью в единый документ по ГДЯ – СОУ 10.1.00174088.011-2005 [2] ), некоторые положения не отвечают современному научно-техническому уровню развития. Это относится в первую очередь к прогнозу опасности по внезапным выдавливаниям. В разработанном методе прогноза используются формальные характеристики спектра акустического сигнала, не имеющего под собой физического обоснования, что отражается на качестве прогноза.

Авторы поставили перед собой цель – охарактеризовать спектр акустического сигнала математическими функциями, имеющими физический смысл, и по их изменению в период, предшествующий внезапному выдавливанию, прогнозировать опасность возникновения этого вида ГДЯ.

Научной основой прогноза послужили следующие особенности проявления внезапных выдавливаний угля, установленные в результате проведенных МакНИИ исследований [3, 4].

Внезапное выдавливание инициируется на определенном расстоянии от забоя – в зоне максимума опорного давления. Согласно разработанной модели внезапное выдавливание является следствием перехода пласта на указанном участке в запредельное состояние. За счет расширения (дилатансии) пласта, сопровождающего это явление, происходит разрушение последнего в виде существенного его разрыхления и выдвижение (выдавливание) его в призабойное пространство с сохранением естественной структуры.

Причиной, вызывающей переход пласта в запредельное состояние, является изменение режима нагружения краевой части пласта, а именно – пригрузка ее породами кровли. Пригрузка происходит в результате упругого восстановления пород кровли или их расслоения.

Первый процесс характерен для очистных забоев, когда по достижении предельного пролета пород кровли происходит облом их консоли. При этом облому консоли предшествует расслоение пород.

Второй процесс реализуется в подготовительных выработках, в которых, как известно, в течение определенного промежутка времени наблюдается равновесие между породами кровли и угольным пластом (период т. н. “задержки деформаций”). При достижении предельного пролета происходит расслоение пород кровли, т. е. уменьшение их жесткости и вследствие этого – воздействие на пласт.

Рассмотренные процессы сопровождаются изменением напряженно-деформированного состояния горного массива. В породах кровли при этом происходит изменение положения ослабленных контактов относительно пласта и их интенсивности, а в призабойной части пласта – изменение величин параметров напряженно-деформированного состояния пласта: зон отжима и разгрузки, расстояния до максимума опорного давления, коэффициента выбросоопасности.

Между указанными параметрами установлены статистические зависимости:

Lp=4,932-0,337kв

(1)

Kв=91,087h-1,151

(2)

Где lp – величина зоны разгрузки пласта, м;

H – расстояние до поверхности наиболее выраженных ослабленных контактов в породах кровли, м;

Kв – коэффициент выбросоопасности, представляющий собой отношение амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра акустического сигнала; разделение спектра на высокочастотную и низкочастотную составляющие, вычисление коэффициента kв производится автоматически на аппаратуре МакНИИ по его программе.

Коэффициент выбросоопасности служит для качественной оценки напряженного состояния горного массива.

Исследованиями установлено, что внезапным выдавливаниям угля предшествует интенсивное расслоение пород кровли на расстоянии 7-10 м в щитовых забоях и на расстоянии до 20-25 м в лавах, работающих по простиранию пласта. Следовательно, породы указанной мощности воздействуют на пласт, переводя его в запредельное состояние. С учетом консоли зависания указанных мощностей пород достаточно для преодоления сопротивления применяемых в настоящее время крепей в очистных и подготовительных выработках.

После произошедших явлений ослабленные контакты наблюдаются на расстоянии 30 м и более от пласта.

Вышеизложенные выводы подтверждаются зависимостью (2): изменение коэффициента kв наиболее существенно при мощности отслоившихся пород до 15-20 м.

Таким образом, по положению ослабленных контактов в породах кровли можно контролировать напряженно-деформированное состояние горного массива и прогнозировать возникновение опасных ситуаций по проявлению внезапных выдавливаний угля (как, впрочем, и других видов газодинамических явлений).

Положение ослабленных контактов определяется по параметрам спектра акустического сигнала, возникающего в горном массиве в результате импульсного возбуждения пород кровли или работы горных машин в забое: комбайнов, стругов, отбойных молотков, бурильных установок и т. д.

В МакНИИ разработаны способы и аппаратура регистрации акустического сигнала, передачи его на поверхность или обработки в забое.

На шахтах, разрабатывающих пласты крутого падения, исследования проводятся с использованием системы ЗУА-6, а на шахтах пологого падения используется разработанная в НПП “Интеграл” аппаратура приема и передачи сейсмосигнала на поверхность АПСС 1. В первом случае поле возбуждаемых работой конвейероструга упругих колебаний регистрируется сейсмоприемником-геофоном, преобразуется им же в электрический сигнал, который согласно усиливается, преобразовывается в модулированные по амплитуде колебания повышенной частоты и поступает по шахтной линии связи на поверхность. На шахтной службе прогноза пришедший высокочастотный сигнал демодулируется в сигнал звуковой частоты, который и записывается на магнитную ленту. Полученная данным способом аналоговая запись отклика массива обрабатывается в дальнейшем в МакНИИ по специально разработанной программе “PROGNOZ”. Во втором случае, при проведении исследований на пологих пластах, отклик массива при работе проходческого комбайна регистрируется геофоном подземного блока аппаратуры АПСС 1, преобразуется в переменный электрический сигнал, который затем усиливыется и модулируется (частотная модуляция). Далее этот сигнал передается по шахтной линии связи на поверхность – на вход наземного блока АПСС 1, который осуществляет его демодуляцию и усиление. Усиленный аналоговый сигнал поступает на плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует его в цифровой код, необходимый для дальнейшей обработки на персональном компьютере по специально разработанной в МакНИИ программе “PROGNOZ”.

Принцип работы программы “PROGNOZ” заключается в преобразовании возбуждаемого работой добычной техники отклика массива, представленного в цифровом виде, методом быстрого преобразования Фурье в амплитудно-частотный спектр (АЧС).

Обработка акустического сигнала ведется на шахтном участке прогноза в реальном времени в течении одного цикла подвигания забоя.

В результате обработки акустического сигнала получается линейчатый спектр (рис. 1). Перевод АЧС в табличную форму выполняется по дополнительной программе на персональном компьютере.

Рис. 1 – Акустический линейчатый амплитудно-частотный спектр, зарегистрированный 27.02.03 в условиях шахты им. К. А. Румянцева в щитовом забое на участке 42 пл. m3

Исходными данными являются амплитудно-частотные линейчатые спектры, а к анализу принимаются получаемые на их основе путем осреднения частот по логарифмической шкале – третьоктавные спектры (рис. 2).

Рис. 2 – Акустический третьоктавный амплитудно-частотный спектр, получаемый

На основе линейчатого, зарегистрированного 27.02.03 в условиях шахты им. К. А. Румянцева

В щитовом забое на участке 42 пл. m3

Анализ характеристик третьоктавных спектров методом дисперсионного анализа позволил установить, что наиболее значимыми из них являются характеристики, которые могут служить в качестве прогностических параметров (табл. 1).

Таблица 1 – Характеристики амплитудно-частотных спектров, используемые при прогнозе опасности по внезапным выдавливаниям угля

Название

Обозначение,

Единица

Измерения

Формула расчета

1

2

3

5

1

Относительный размах резонансного пика.

Rотн.,

Отн. ед.

Rотн.=Rp/(70-20)*100,

Rp=R-p+R+p, R-p=Fp+F-p,

R+p=F+p+Fp,

Линейная характеристика амплитудно-частотного спектра, оценивающая мощность расслоения угольного массива по нормали к напластованию на расстоянии более чем 3 м от кровли пласта.

2

Отношение площадей слева и справа от резонансного пика.

Sотн. р.,

Отн. ед.

Sотн. р.=S-p+S+p

Интегральная характеристика амплитудно-частотного спектра, оценивающая энергетическую асимметрию мощности расслоения относительно точки его максимальной интенсивности.

3

Относительная амплитуда резонансного пика.

Aотн

Отн. ед.

Aотн=Sотн/Rотн

Sотн=Sp/Sо, Sp=S-p+S+p

Sо – общая площадь.

Линейно-интегральная характеристика амплитудно-частотного спектра, оценивающая интенсивность развивающегося расслоения.

4

Относительная амплитуда высокочастотной области спектра.

Aотн+р

Отн. ед.

Aотн+р=Sотн+р/Rотн+р

Sотн=S+p/Sо, Rотн+p=R+p/Rp

Линейно-интегральная характеристика, оценивающая интенсивность развивающегося расслоения в сторону кровли от точки его максимума.

5

Абсолютная частота точки максимальной интенсивности расслоения

(резонансный пик).

Fp

КГц

Абсолютная характеристика амплитудно-частотного линейчатого спектра, оценивающая пространственное положение максимального расслоения в толще пород по нормали к кровле пласта.

Примечание. Обозначения приведены на рис. 3.

По результатам исследований акустического сигнала при работе выемочных механизмов была получена базовая выборка, включающая 58 случаев при наличии внезапных выдавливаний угля и их отсутствии. Отдельно для крутого и пологого падения на этой выборке методом дискриминантного анализа [5] были получены обобщенные показатели опасности по внезапным выдавливаниям угля в виде простых классифицирующих функций { Ф0, Ф1}.

Рис. 3 – Схема линейчатого спектра с выводом основных обозначений опорных точек математической обработки

Дискриминантная модель [6] прогноза опасности по внезапным выдавливаниям угля для пластов крутого падения может быть представлена следующей системой уравнений:

(3)

И изображена графически (рис. 4).

Рис. 4 – Графический вид дискриминантной классифицирующей модели

Прогноза опасности по внезапным выдавливаниям на пластах крутого падения

Модель прогноза опасности по внезапным выдавливаниям угля для пластов пологого падения может быть представлена системой уравнений (4). График аналогичен тому, который приведен на рис. 4.

(4)

Класс опасности определяется той функцией, значение которой максимально..

Если расчетное значение функции не попадает в указанные области, то оценка прогноза производится на основе дистанционных оценок, полученных в ходе дискриминантного анализа. За дистанционную оценку принимают обобщенную меру Махаланобиса, которая представляет собой квадрат расстояния от некоторой многомерной точки – объекта исследования; положение этой точки определяют значения ее параметров до центроида определенного класса [5]. По величине меры Махаланобиса рассчитывают вероятность принадлежности точки к определенному классу, характеризующую опасность по внезапным выдавливаниям угля.

Таблица 2 – Категории опасности внезапных выдавливаний угля по результатам дискриминантного анализаа

Критерии опасности

Значение функции

Ф0

Ф1

Крутое падение

Опасно

Менее -70

Более -2

Неопасно

Более +70

Менее +2

Пологое падение

Опасно

1100 < Ф0 < 1400

Более 1400

Неопасно

400 < Ф0 < 700

Менее 400

Разработанный метод прогноза опасности по внезапным выдавливаниям угля дает лучшую сходимость с практическими данными. Применение его позволит более объективно оценивать ситуацию опасности по проявлению внезапных выдавливаний угля.

Список литературы

1. СОУ 10.1.00174088.005-2004. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к внезапным выдавливаниям угля. – Введ.

2. СОУ 10.1.00174088.005-2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. – Введ. 2206-04-01. К.: Минуглепром Украины, 2005. – 225 с.

3. Южанин И. А. Представления о природе и механизме проявления внезапных выдавливаний угля / И. А. Южанин, В. М. Муравьева, М. Ф. Рыжков // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского Государственно горного университета. – 2004. – №6. – С. 175-178.

4. Коптиков В. П. Совершенствование способов обеспечения безопасности при разработке пластов, склонных к внезапным выдавливаниям угля / В. П. Коптиков, В. П. Евдокимова, М. Ф. Рыжков, И. А Южанин // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: сб. науч. тр. МакНИИ. – 2009. – №1(23) 2009. – С. 5 -15..

5. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ: Пер. с англ./ Дж.-О. Ким, Ч. У. мьюллер, У. Р. Клекка и др. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 215 с.

6. Боровиков В. П. Популярное введение в программу STATISICA. – М.: КомпьютерПресс, 1998. – 266 с.


Научные основы и прогноз опасности внезапных выдавливаний угля по параметрам акустического сигнала