Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций
Представлено універсальний аналітичний апарат для опису напружено-деформованого стану вугільного пласта в зоні мало амплітудних тектонічних порушень на прикладі використання сейсмоакустичного метода контролю....
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2010
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33524 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 27-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33524 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-335242025-02-09T21:25:59Z Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций Seismoacoustic monitoring of stress state of сoal-rock massif in the zones of discontinuous dislocations Скипочка, С.И. Пилипенко, Ю.И. Представлено універсальний аналітичний апарат для опису напружено-деформованого стану вугільного пласта в зоні мало амплітудних тектонічних порушень на прикладі використання сейсмоакустичного метода контролю. It is presented versatile analytical apparatus to describe the stress and strain state of the coal seam in the zone of tectonic small amplitude violations by using of seism acoustic method. 2010 Article Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 27-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33524 622.831:550.34.016 ru Геотехническая механика application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Представлено універсальний аналітичний апарат для опису напружено-деформованого
стану вугільного пласта в зоні мало амплітудних тектонічних порушень на прикладі використання сейсмоакустичного метода контролю. |
| format |
Article |
| author |
Скипочка, С.И. Пилипенко, Ю.И. |
| spellingShingle |
Скипочка, С.И. Пилипенко, Ю.И. Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций Геотехническая механика |
| author_facet |
Скипочка, С.И. Пилипенко, Ю.И. |
| author_sort |
Скипочка, С.И. |
| title |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| title_short |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| title_full |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| title_fullStr |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| title_full_unstemmed |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| title_sort |
сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33524 |
| citation_txt |
Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 27-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT skipočkasi seismoakustičeskiikontrolʹizmeneniânaprâžennogosostoâniâugleporodnogomassivavzonahrazryvnyhdislokacii AT pilipenkoûi seismoakustičeskiikontrolʹizmeneniânaprâžennogosostoâniâugleporodnogomassivavzonahrazryvnyhdislokacii AT skipočkasi seismoacousticmonitoringofstressstateofsoalrockmassifinthezonesofdiscontinuousdislocations AT pilipenkoûi seismoacousticmonitoringofstressstateofsoalrockmassifinthezonesofdiscontinuousdislocations |
| first_indexed |
2025-12-01T00:06:07Z |
| last_indexed |
2025-12-01T00:06:07Z |
| _version_ |
1850262231513563136 |
| fulltext |
Выпуск № 91 27
УДК 622.831:550.34.016
С.И. Скипочка, д-р техн. наук, проф.,
Ю.Н. Пилипенко, канд. техн. наук
(ИГТМ НАН Украины)
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ
НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА
В ЗОНАХ РАЗРЫВНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ
Представлено універсальний аналітичний апарат для опису напружено-деформованого
стану вугільного пласта в зоні мало амплітудних тектонічних порушень на прикладі викори-
стання сейсмоакустичного метода контролю.
SEISMOACOUSTIC MONITORING OF STRESS STATE OF СOAL-ROCK
MASSIF IN THE ZONES OF DISCONTINUOUS DISLOCATIONS
It is presented versatile analytical apparatus to describe the stress and strain state of the coal
seam in the zone of tectonic small amplitude violations by using of seism acoustic method.
Безаварийность горных работ на угольных месторождениях при переходе
зон тектонических нарушений можно обеспечить путем решения следующих
взаимосвязанных задач: оценкой геометрических параметров малоамплитудных
тектонических нарушений углепородного массива; прогнозом структуры ло-
кальных полей напряжений в окрестностях тектонических нарушений и оцен-
кой геодинамического состояния углепородного массива; проведением дегаза-
ционных мероприятий; принятием технологических решений по переходу зон с
нарушенной структурой угля; разработкой средств и способов поддержания бо-
ковых пород в зоне тектонических нарушений и способов управления состоя-
нием угольного массива, применение которых позволит снизить потери угля и
повысить технико-экономические показатели работы добычного участка. Ре-
шение отмеченных выше задач можно осуществить только при наличии эффек-
тивных способов управления газовыделением и технологического контроля
свойств и состояния массива горных пород. В качестве метода непрерывного
контроля динамики напряженного состояния углепородного массива применя-
ется сейсмоакустический (СА) метод, получивший широкое распространение
на угольных шахтах Донбасса. В работе предложена универсальная методика
определения изменения напряженно-деформированного состояния углепород-
ного массива при ведении очистных работ в зонах разрывных дислокаций.
Известно, что в процессе разрушения горных пород возникают механоаку-
стические преобразования, проявляющиеся в виде перестройки связей, измене-
ния их прочностных и деформационных свойств [1,2]. Состояние среды, адек-
ватно отражающее динамику процесса разрушения (деформирования), можно
охарактеризовать интенсивностью сейсмоакустических событий. В наиболее
общем виде взаимосвязь напряженного состояния среды и сейсмоакустической
эмиссии (СЭ) описывается с помощью параметрических сплайн-функций [3].
Пусть кривая, характеризующая зависимость сейсмоакустических параметров
от напряжений (рис. 1), задана в плоскости ΟΧ1Χ2 своими параметрическими
уравнениями:
28 "Геотехническая механика"
Χk=ϕk(t) (k=1;2); t[a,b],
где ϕk(t) − гладкие функции.
Ее можно аппроксимировать при помощи параметрических сплайн-функций.
Для этого введем на некотором отрезке [a,b] произвольное разбиение δn:
а = t0<t1<…<tn-1<tn = b
и обозначим:ϕ ϕk
i i
k
it d dt( ) ( ) = (i = 0,1); ϕ ϕk kt t( ) ( ) ( )0 = (k = 1;2); hi=tj+1− tj (j =
0,1,…, n−1); σ
сж
– предел прочности на сжатие; σy, σс – соответственно напря-
жения в области упругих деформаций и остаточной прочности; F0, Fy, Fп
, F
с
–
соответственно: фоновое значение сейсмоакустических параметров, их значе-
ние в области упругих деформаций, в предельной области напряжений и в об-
ласти остаточных напряжений; ν = νmin – точка с минимальным значением ко-
эффициента Пуассона.
Рис. 1 – Характер взаимозависимости сейсмоакустических параметров
и механических напряжений
Кривой АВСД поставим в соответствие параболическую эрмитовую
сплайн-кривую S2(γ), которая на каждом промежутке [tj,tj+1] (j=0,1,…, n-1) зада-
ется уравнениями:
S j t t tk k
i
j p j p
p i
2
0
1
( , , ) ( ) ( )( )
,
,
ϕ ϕ ψ= +
=
∑ (k=1,2), (1)
где
;
,2)32)((
,2)(
)(;
,2)(
,)32)((
)(
12111
21
2
1,1
121
2
1
211
0,1
≤≤−+−
≤≤−−
=
≤≤−
≤≤−+−
=
++++
+
+++
++
jtjjjj
jjjj
jjjj
jjjjj
ttthttttt
ttthtt
t
ttthtt
tttttttt
t ψψ
ψ ψ0 1 0 01, ,( ) ( )t t= − ;
Fу
D(F
с
,σ
с
)
С(F
п
,σ
сж
)
σсж
σ
A(F0,0)
F(t)
B(Fy,σy,ν=νmin)
Выпуск № 91 29
,
,2
2)(,21
)(
121
2
1
121
2
0,0
≤≤
−
+=
−
−
=
++
+
++
jj
j
j
jjjj
j
j
ttt
h
tt
ttttt
h
tt
t
pp
ψ
интерполирует в точках Aj (ϕ1(tj), ϕ2(tj)) (j=0,1,…, n) и имеет в Aj тот же угол на-
клона касательной к оси OX1, что и γ.
Подставляя в формулу (1) вместо ϕ k jt( ( )1) их приближенные значения
ϕ
∧
k jt
(
( )
1)
, рассчитанные на основании имеющейся информации о кривой γ, при
j=0 и j =n, соответственно получим:
[ ]
[ ]
−=
−=
−−
∧
∧
11
)1(
0010
)1(
)()()(
,)()()(
nnnnk
k
httt
httt
ϕϕϕ
ϕϕϕ (2)
Применяя для остальных tj (j=2,…,n-1) интерполяционные полиномы Ла-
гранжа l2(ϕk,t) степени 2, интерполирующие ϕk(t) в точках tj-1,tj,tj+1, и вычисляя
значения их первых производных в точках tj, запишем:
ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ
∧
−
−
−
−
−
+
= = −
+
−
−
⋅
+ +
+k j k j k j
j
j jn
k j
j j
j j
n
j
j j j
t l t t
h
h h h
t
h h
h h
j
h
h h h
( )
( )( ) ( , ) ( )
( )
( ) ( )
( )
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1 (3)
В качестве параметра целесообразно использовать длину ломаной с верши-
нами в точках интерполяции Aj (j=0,1,…,n), отсчитываемую от A0. В этом слу-
чае t0=0, tn=α, где α длина всей кривой. Используем кусочно-полиномиальные
функции для описания деформационных кривых G(ε 1 ) и K(ε 3 ), полученные для
одной и той же пробы (рис. 1). Приближенные уравнения деформационных
кривых будут иметь следующий вид:
G(ε 1 )=
0
1311
0
1
2
11
11
1
12
1
1
);/())((
0);(2)(
εεεεεεεσσσ
εε
ε
εσ
ε
εσ
≤≤−−−+
≤≤+
ngn
сжссж
n
nсжnсж (4)
K(ε 3 ) =
0
333
2
3
0
3
2
33
33
3
3
;)/())((
0;
εεεεεεεσσσ
εε
ε
εσ
≤≤−−−+
≤≤
ппп
сжссж
п
псж
(5)
где ε 1 и ε 3 – соответственно продольная и поперечная деформация образца;
ε 1
п , ε 3
п и ε1
0, ε 3
0 – значения деформации, соответствующие пределу прочности на
сжатие и остаточному напряжению на полных деформационных кривых.
Отметим, что участку ОА деформационной кривой (рис. 2 ) соответствует
дуга АВ на рис. 1 , участку АВ – дуга СВ, участку ВC – дуга DC.
30 "Геотехническая механика"
Рис. 2 – Схематические диаграммы “напряжение-деформации”
для условий объемного сжатия
Решая соотношения σ = G(ε 1 ) и σ = K(ε 3 ) на участках монотонности ОАВ и
ВС (рис. 1) или, что то же самое, на участках АВС и СD (рис. 2) относительно
ε 1 и ε 3 , получим:
ε 1 (σ)=
сжссжссж
пп
сж
сж
п
σσσσσσσεεε
σσ
σ
σε
≤≤−−−+
≤≤−−
02
1
1
0
11
2
1
2
1
;)]/())[((
0;])1(1[
,
≤≤−−−+
≤≤
=
сжссжссж
пп
сж
сж
п
σσσσσσσεεε
σσ
σ
εσ
σε
;)]/())[((
0;
)(
2
1
3
0
33
3
3 . (6)
Используя формулы (4), (5), вычислим коэффициент Пуассона полной де-
формационной кривой ν =
ε σ
ε σ
3
1
( )
( )
. На участке восходящей кривой (ОАВ) рис. 1
(1) получим:
ν =
2
1
2 ])(1[1
/
сж
сж
n
σ
σ
σσν
−−
. (7)
На ниспадающем участке кривой (ВС) (рис. 1) имеем:
( )
2/1
01
0
11
2/1
03
0
33 )(
−
−−+
−
−−+
=
сж
сжпп
сж
сжпп
σσ
σσεεε
σσ
σσεεε
ν . (8)
Выпуск № 91 31
Разрешая соотношения (7) и (8) относительно σ, получим на кривой ОАВ
(рис. 2):
п
п
п
сж
νν
νν
ννσσ ≤≤
+
= 0,2
22
; (9)
кривой ВС:
( ) ,,
/)( 0
2
1
0
10
ννν
εενννν
ννσσσσ ≤≤
−+−
−−−=
пп
п
п
ссжсж
(10)
где ν ε
ε0
3
0
1
0
= - выражения напряжений через коэффициент Пуассона полной
деформационной кривой.
Отметим участки АВ, ВС, CD зависимости САЭ от механических напряже-
ний, изображенных на рис. 1.
На участке упругого деформирования АB имеем:
y
y
у
tFtFtF
tFtF
tFtF
)()()(,
)()(
)()(
0
0
0 ≤≤
−
−= σσ . (11)
На участке ВС, соответствующем предельному состоянию, получим
yпсж
пy
п
сжу
tFtFtF
tFtF
tFtF
)()()(,
)()(
)()(
)( ≤≤+
−
−−= σσσσ . (12)
На участке CD, соответствующем пластическим деформациям, запишем:
пс
сп
с
сж
сп
с
сж
tFtFtF
tFtF
tFtF
tFtF
tFtF
)()()(,
)()(
)()(
2
)()(
)()( ≤≤
−
−+
−
−−= σσσ . (13)
Приравнивая правые части формул (9) и (11) на участке упругих деформа-
ций, получим:
2
0
0
22 )()(
)()(
2
−
−=
+ tFtF
tFtF
y
у
п
п
сж
σ
νν
ννσ . (14)
Разрешая (14) относительно F(t), запишем:
[ ] ,0;)()()(2)( 00
2
1
22 yу
n
n
у
сж tFtFtFtF νν
νν
νν
σ
σ ≤≤+−
+
⋅= (15)
где νy = ε3
y / ε1
y .
Приравнивая правые части соотношений (9) и (12) на участке ВС, соответ-
ствующем предельному состоянию, получим:
сж
пy
п
сжу
п
п
сж tFtF
tFtF σσσ
νν
ννσ +
−
−−=
+
2
22 )()(
)()(
)(2 . (16)
32 "Геотехническая механика"
Из выражения (16):
( )
пyп
пусж
сж
пy tFtFtFtF ννν
ννσσ
σ ≤≤+
+−
−= ;)(
))((
)()()(
2/1
22
, (17)
Приравнивая правые части соотношений (10) и (13), на участке трещинова-
тости CD, получим:
22
1
0
10
0 1
)()(
)()(
)(
1
−
−
−=
−+−
−
−
сп
с
n
n
п
сж
tFtF
tFtF
εενννν
νν
σ
σ . ( 18)
Отсюда:
)(1
)(
1))()(()(
1
0
10
2
1
tFtFtFtF
сn
n
n
сж
с
сп
+
+
−+−
−⋅
−−=
εενννν
νν
σ
σ , νn<ν<ν0 (19)
Полученные соотношения (15, 17, 19) позволяют описать состояние среды
на всех стадиях разрушения угольного пласта и боковых пород, оценить на-
пряженное состояние массива [4]. В качестве исходной информации применяют
результаты разрушений образцов горных пород на жестких испытательных
машинах, с определением коэффициентов масштабного фактора и сопоставле-
нием с результатами шахтных работ.
Таким образом, теоретически обосновано применение геофизического мето-
да, базирующегося на регистрации сейсмоакустической активности среды и от-
ражающего изменение напряженного состояния массива горных пород. С уче-
том свойств горных пород получены аналитические зависимости, описываю-
щие связь геомеханического состояния среды и СА параметров. Показано, что
оценку напряженно-деформированного состояния массива по комплексу СА
показателей горных пород необходимо проводить, используя принцип кусочно-
линейной аппроксимации. При этом весь возможный размах изменения вели-
чины параметра разбивается на несколько интервалов, а зависимости аппрок-
симируются линейными отрезками внутри этих интервалов. Учет нелинейности
сложной формы полиномами низких степеней значительно повышает устойчи-
вость решения обратных задач при контроле процесса трещинообразования и
напряженного состояния среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические рекомендации по геофизическому контролю и диагностике геомеханического состояния
подземных геотехнических систем угольных шахт/А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка [и др.]. -
Днепропетровск-Донецк: ВИК, 2009. – 80 с.
2. Анцыферов М.С. Сейсмоакустические исследования и проблема прогноза динамических явлений / М.С.
Анцыферов, Н.Г. Анцыферова, Я.Я. Качан. – М.: Наука, 1971. – 110 с.
3. Вакарчук С.Б. Аппроксимация кривых и поверхностей сплайнами / С.Б. Вакарчук. – К.: Ин–т математи-
ки АН УССР, 1982. – 48 с.
4. Определение очагов трещинообразования и напряженного состояния массива методом многоканальной
сейсмоакустики / А.Ф. Булат, С.Ю. Макеев, Ю.Н. Пилипенко [и др.] // Деформирование и разрушение материа-
лов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. ХХ Межд. науч. школы. –
Симферополь: Таврич. нац. ун-т. – 2010. – С. 75-77.
|