Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений
У роботі розглянуто питання організації і проведення моніторингу сейсмоакустичних процесів при підземній розробці родовищ. The paper deals with the problems related to organizing and conducting of monitoring of seismic-acoustic processes during underground exploitation of deposits....
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18048 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений / В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 249-257. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860203383661527040 |
|---|---|
| author | Захаров, В.Н. |
| author_facet | Захаров, В.Н. |
| citation_txt | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений / В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 249-257. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | У роботі розглянуто питання організації і проведення моніторингу сейсмоакустичних процесів при підземній розробці родовищ.
The paper deals with the problems related to organizing and conducting of monitoring of seismic-acoustic processes during underground exploitation of deposits.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:11:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
249
УДК 622.25:502.5
МОНИТОРИНГ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И ПРОГНОЗ ГЕО- И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Захаров В. Н.
(УРАН ИПКОН РАН, г. Москва, Россия)
У роботі розглянуто питання організації і проведення мо-
ніторингу сейсмоакустичних процесів при підземній розробці ро-
довищ.
The paper deals with the problems related to organizing and
conducting of monitoring of seismic-acoustic processes during under-
ground exploitation of deposits.
Гео- и газодинамические явления (ГДЯ) происходили и
происходят практически на всех угольных месторождениях мира.
В последние годы отмечается тенденция увеличения числа и
мощности ГДЯ на шахтах России. Эти явления сопровождаются
обильным газовыделением и угрозой загазирования горных вы-
работок, выносом угольной мелочи, т.е. приводят к последстви-
ям, характерным для внезапных выбросов угля и газа. На шахтах
Кузбасса, Печорского и Карагандинского бассейнов только за пе-
риод 1986 - 2005 г.г. произошло 158 газодинамических явлений.
При высоких скоростях подвигания очистных и подготови-
тельных забоев все геомеханические процессы, происходящие в
массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давле-
ния, деформациями, разрушением, газовыделением, приобретают
более резкий динамичный характер, повышается риск возникно-
вения гео- и газодинамических явлений.
В связи с этим задачи теоретического и экспериментального
исследования процессов формирования геодинамических опас-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
250
ных зон в массиве горных пород и разработки фундаментальных
основ мониторинга гео- и газодинамических явлений при горных
работах являются весьма актуальными.
При анализе методов мониторинга состояния массива при-
менительно к современным задачам прогноза гео- и газодинами-
ческих явлений, с учетом их специфики, о которой было сказано
выше, должны предъявляться следующие требования:
– методы и аппаратура должны обеспечивать возможность
осуществлять контроль состояния призабойной зоны дистанци-
онно и непрерывно;
– методы должны иметь возможность применения в автома-
тизированных системах, а информативные прогностические по-
казатели обеспечивать надежную их интерпретацию.
Среди геофизических методов мониторинга состояния мас-
сива горных пород с целью прогноза опасности внезапных вы-
бросов и горных ударов наилучшим образом отвечают вышепе-
речисленным требованиям сейсмический мониторинг низкочас-
тотных высокоэнергетических событий при разрушении пород
кровли (более 103 дж), сеймоакустический мониторинг пассивной
акустической эмиссии в ближних зонах ведения горных работ
при разрушении угольных пластов и пород кровли, а также ак-
тивный сейсмоакустический мониторинг амплитудно-частотных
спектров зондирующего массив горных пород сигнала от горного
оборудования и буровзрывных процессов.
Для повышения точности прогноза на выбросоопасных пла-
стах, необходим амплитудно- частотный анализ естественных
сейсмоакустических импульсов и колебательных процессов от
активных источников, который позволит оценить энергетические
параметры разрушений в горном массиве и изменения напряжен-
ного состояния углепородного массива в процессе выемки угля.
Кроме того, основной нерешенной проблемой прогноза гео- и га-
зодинамических явлений с использованием геоакустических ме-
тодов остается установление информативных геофизических па-
раметров на стадии подготовки выбросоопасной ситуации и оп-
ределения их критериальных значений.
Определено, что степень риска газодинамических явлений в
связи с широким диапазоном изменения их силы необходимо
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
251
оценивать не только частотой (вероятностью) их проявления в
пространстве и времени, но также и силой динамического явле-
ния, измеряемой в тоннах выброшенного угля (породы) и в м3
выделившегося газа, от которых напрямую зависит величина на-
носимого ущерба.
Установлена закономерная взаимосвязь между частотой
проявления динамических явлений в шахтах и их силой, описы-
ваемая эмпирической степенной функцией распределения
N=6130P-1,393, где N-число динамических явлений, Р-сила дина-
мических явлений, измеряемая количеством выброшенного угля
(породы) в тоннах (рис. 1).
N – число газодинамических явлений,
P –сила газодинамического явления
Рис. 1. Эмпирическая функция распределения (закон повто-
ряемости) силы газодинамических явлений в Кузбас-
се и Воркутинском месторождении в период 1975 –
2003 г.
Анализ экспериментальных и теоретических исследований
показывает, что частота (вероятность) проявления динамических
явлений в массивах горных пород достигших критически опас-
ных значений геоэнергии определяется вместе с тем не только
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
252
достигнутым уровнем потенциальной геоэнергии, но и в большей
мере условиями высвобождения геоэнергии, которые зависят от
неоднородности строения и свойств массива (геологические на-
рушения), а также технологии ведения горных работ (скорости
подвигания забоя, глубины захвата при выемке, силового воздей-
ствия на массив проходческими или очистными комбайнами или
буровзрывными работами).
Для изучения механизма формирования опасной по динами-
ческим явлениям ситуации, возникающей при проведении гор-
ных выработок, выполнен анализ комплекса геомеханических и
геофизических исследований. Как правило, в зоне высокой опас-
ности и перед динамическими явлениями происходит сокраще-
ние протяженности области разгрузки (трещиноватости, спада
напряжений) lk
и рост концентрации напряжений в зоне ПГД
(рис. 2). Эффект задержки деформаций и возрастания концентра-
ции напряжений в призабойной части массива чаще всего наблю-
дается при ведении горных работ в зонах влияния мелкоампли-
тудной тектонической нарушенности, которая формирует вокруг
себя зоны повышенного горного давления.
В качестве первичных геомеханических показателей воз-
никновения очагов опасности геодинамических явлений, проис-
ходящих в призабойной зоне массива при проведении горных
выработок можно выделить рост коэффициента концентрации
напряжений k в зоне ПГД (k=σ1max/σ0, где σ1max – максимальные
напряжения, σ0 - напряжения в массиве вне зоны влияния горной
выработки) и сокращение размеров «буферной зоны» (зоны спада
напряжений) lk между поверхностью движущегося забоя.
По данным геофизических наблюдений выбросоопасные и
удароопасные зоны горного массива характеризуются повышени-
ем уровня акустической эмиссии и изменением коэффициента
или декремента поглощения упругих волн (рис. 2).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
253
Рис. 2. Схема изменений напряжений (σ) и декремента по-
глощения упругих акустических волн β в функции
напряжённого состояния призабойной части пластов
в опасных (1) и неопасных зонах (2)
Проходка горных выработок сопровождается акусто-
вибрационным колебательным процессом углепородного массива
в зоне ведения горных работ.
В качестве объекта расчетов выбраны горно-геологические
условия шахты Первомайская (северная часть Кузнецкого уголь-
ного бассейна). Шахта разрабатывает угольные пласты опасные
по внезапным выбросам и горным ударам угля породы и газа.
Углепородный массив имеет весьма разветвленную и достаточно
интенсивную тектоническую нарушенность, что является допол-
нительной причиной возникновения горных ударов и внезапных
выбросов.
В таблице 1 представлены литологическая колонка и основ-
ные физико-механические и акустические свойства угля и вме-
щающих пород на данном участке. Модель, исследуемого участ-
ка, показана на рис. 3 в виде вертикального геологического разре-
за угольного пласта, в котором пройдена частично закрепленная
горная выработка, и вмещающих пород в соответствии с литоло-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
254
гической колонкой. Горная выработка по своим геометрическим
размерам захватывает угольный пласт и расположенный в непо-
средственной кровле алевролит. Вокруг горной выработки при-
сутствует зона разгрузки, характеризующаяся пониженными ско-
ростями и повышенным затуханием. Расположение источников и
приемников колебательного процесса, также показано на рис. 3.
Таблица 1
Шахта Первомайская, пласт XXVII, 726 лава, Северный Кузбасс
Тип пород H, м
ρ,
г/см
3
V
S
,
м/с
V
P
,
м/с
µ,
МПа
λ,
МПа α
Песчаник ∞ 2,58 2432 4329 7086 8280 0,002
Алевролит 1,5 2,67 2042 3635 5050 5903 0,003
Уголь 2,0 1,3 1415 2452 2472 2479 0,01
Алевролит 1,0 2,67 2042 3635 5050 5903 0,003
Песчаник ∞ 2,58 2754 4329 7086 8280 0,002
Рис. 3. Расположение источников и приемников колебатель-
ного процесса
В данной работе рассматривается влияние крутизны и ши-
рины эпюр напряжений при отработке пласта в зоне ПГД на аку-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
255
сто-вибрационные колебания. Варианты задания зон ПГД пред-
ставлены на рис. 4. Ноль по шкале абсцисс соответствует забою.
По шкале ординат процентное изменение кинематических
параметров. Ноль по оси ординат соответствует значению кине-
матических параметров вне зоны влияния горной выработки.
Изменение динамических характеристик происходит по
этим же эпюрам от -3 до +2,5 раз.
Рис. 4. Кривые изменения кинематических параметров (Vp,
Vs) в зонах ПГД 1 и 2
Широкополосный источник колебательного процесса рас-
положен в центре угольного пласта на расстоянии 0,5 м от забоя.
Максимум спектра расположен на частоте порядка 3000 Гц. Ши-
рина спектра на уровне 0,6 от максимума составляет порядка
4700 Гц. В процессе моделирования рассматривалось два вариан-
та подвигания забоя: с образованием зоны трещиноватости и без.
В таблице 2 приведены результаты расчетов.
Серия расчетов, выполненных для описанной выше схемы
моделирования, показала влияние места расположения аномаль-
ной зоны на спектральный состав колебательного процесса, реги-
стрируемого в горной выработке.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
256
Влияние зоны ПГД на амплитудно-частотные характеристи-
ки выражается в виде перераспределения колебаний между от-
дельными составляющими спектра (рис. 5 а-в).
По мере приближения к максимуму эпюры НДС высокочас-
тотная составляющая спектра постепенно усиливается, а низко-
частотная ослабевает. Наблюдается увеличение амплитуды коле-
баний, а соответственно и энергии. При входе в зону ПГД с уве-
личением кинематических характеристик на 10 % и уменьшением
динамических в два раза колебательный процесс переходит в
режим резонансных колебаний (рис. 5 в, г) и процесс становится
неуправляемым. Как и следовало ожидать, зона трещиноватости
влияет на затухание колебаний и, как следствие, на уменьшение
энергии вне зоны ПГД. При входе в зону ПГД и раскачки систе-
мы зона трещиноватости практически не влияет на величину
энергии.
Таблица 2
Результаты расчётов
Положение СП 5 м 10 м
Положение забоя 0 м 2 м 4 м 0 м 2 м 4 м
Е, у.е. 25 60 667 25 78 823
Аmax, у.е. 8 30 452 15 39 634
Без зоны тре-
щиноватости
Fmax, Гц 281 342 660 293 379 660
Е, у.е. 12 31 80 8 13 566
Аmax, у.е. 5 19 49 4 6 438
Кривая 1
рис. 5
С зоной тре-
щиноватости
Fmax, Гц 220 293 660 220 293 660
Е, у.е. 164 345 96 69 1464 164
Аmax, у.е. 88 257 48 30 1130 118
Без зоны тре-
щиноватости
Fmax, Гц 293 660 574 293 660 600
Е, у.е. 18 35 47 10 19 17
Аmax, у.е. 8 18 22 5 8 7
Кривая 2
рис. 5
С зоной тре-
щиноватости
Fmax, Гц 293 281 330 245 318 330
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
257
Рис. 5. Спектры колебательного процесса для различных по-
ложений забоя относительно зоны ПГД: а) 0 м; б) 2 м;
в) 4 м; г) 6 м
Установлено что влияние крутизны эпюр НДС на характер
колебательного процесса несравнимо мало по сравнению с влия-
нием расстояния до максимума концентрации напряжений в зоне
ПГД.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18048 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:11:30Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Захаров, В.Н. 2011-03-16T21:32:19Z 2011-03-16T21:32:19Z 2009 Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений / В.Н. Захаров // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 249-257. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18048 622.25:502.5 У роботі розглянуто питання організації і проведення моніторингу сейсмоакустичних процесів при підземній розробці родовищ. The paper deals with the problems related to organizing and conducting of monitoring of seismic-acoustic processes during underground exploitation of deposits. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений Article published earlier |
| spellingShingle | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений Захаров, В.Н. |
| title | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| title_full | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| title_fullStr | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| title_full_unstemmed | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| title_short | Мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| title_sort | мониторинг сейсмоакустических процессов и прогноз гео- и газодинамических явлений при подземной разработке месторождений |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18048 |
| work_keys_str_mv | AT zaharovvn monitoringseismoakustičeskihprocessoviprognozgeoigazodinamičeskihâvleniipripodzemnoirazrabotkemestoroždenii |