Применение акустических методов для управления параметрами гидрообработки горного массива и оценки ее эффективности
А.В. Шадрин, д-р. техн. наук,
Ю.А. Диюк, инженер,
А.С. Телегуз, ведущий инженер, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово
Интенсификация горных работ и увеличение глубины разработки угольных месторождений осложняются проявлением динамических явлений (ДЯ), природа которых обусловлена физико-механическими и фильтрационно-коллекторскими свойствами угольного пласта, структурой углепородного массива и технологией ведения горных работ. Угольные пласты, содержащие пачки достаточной мощности нарушенного газонасыщенного угля, особенно в окрестности дизъюнктивных нарушений, осложняющих естественную фильтрацию метана, опасны внезапными выбросами угля и газа и им подобными явлениями. Пласты крепкого угля в зонах повышенного горного давления опасны проявлениями горных ударов.
Начиная с глубины 500 м в очистных забоях с мощной труднообрушаемой кровлей происходят интенсивные и опасные внезапные выдавливания угля, сопровождающиеся повышенным газовыделением. Их результатом является поломка забойного оборудования и возникновение угрозы жизни для горнорабочих. Кроме того, зависание кровли вызывает увеличение горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует горный удар или иные динамические явления [1]. В частности, локальный горный удар может перерасти во внезапный выброс угля и газа. Из-за влияния зависающей кровли, имеющей значительную площадь, оставленные целики и охраняемые подготовительные выработки подвергаются действию опорного давления большой величины. Это приводит к разрушению горных выработок и, соответственно, к нарушению нормального режима работы добычного оборудования, транспортных средств и проветривания забоев.
В связи с этим должны применяться способы прогноза опасности проявления ДЯ, а при возрастании опасности до критической величины – способы воздействия на горный массив для снятия этой опасности. Среди таких способов снижения опасности особую группу составляют способы гидрообработки.
После выполнения наиболее приемлемого в конкретных условиях способа снижения опасности необходимо проконтролировать его эффективность. Проведя контроль эффективности примененного способа и убедившись, что опасность устранена, можно продолжить горные работы.
Преимущества применения акустических методов
В последнее время при выполнении прогноза опасности проявления ДЯ, контроле за со--стоянием горного массива в процессе выполнения способов снижения опасности и оценке эффективности примененного способа все чаще внедряются геофизические методы, поскольку они являются менее трудоемкими и продолжительными по сравнению с так называемыми инструментальными методами, основанными на получении информации о состоянии призабойного пространства в процессе бурения контрольных шпуров [2]. Среди геофизических методов контроля состояния горного массива значительное место занимают акустические.
Это обусловлено, как нам кажется, следующими причинами. Во-первых, на параметры акустического излучения оказывают влияние свойства горного массива: трещиноватость, слоистость структуры, обводненность, наличие нарушений и др., а также напряженное состояние. Во-вторых, коэффициент затухания акустических колебаний, как правило, ниже, чем электромагнитных, которые также используются для контроля ряда параметров горного массива. Это позволяет акустическими методами контролировать значительно бóльшие участки горного массива, чем электромагнитными методами. В-третьих, оборудование для обработки акустических сигналов при современном уровне развития электронной элементной базы удается изготовить в искробезопасном исполнении без значительного повышения его массы и габаритов. Контролируемое акустическое излучение не несет опасности вредного воздействия на организм оператора, аналогичное по воздействию электромагнитному и особенно радиационному излучению достаточной мощности, которое использовалось бы, чтобы «просвечивать» горный массив на такое же расстояние, как акустическое, с тем же разрешением в определении координат.
Методы прогноза опасности проявления ДЯ основаны на регистрации факторов, приводящих к этим явлениям. Основными из них являются: наличие нарушений впереди проводимых подготовительных или очистных выработок, напряженное состояние призабойного пространства, внутрипластовое давление газа и прочность угля [3, 4].
Акустические методы при прогнозе динамических явлений
При поиске нарушений в угольном пласте хорошо зарекомендовал себя метод сейсмического просвечивания, позволяющий выявить зоны аномальных значений скоростей распространения акустических волн, свидетельствующих о наличии здесь среды с иными физико-механическими свойствами [5, 6].
Для прогноза внезапных выбросов угля и газа и горных ударов длительное время применяется метод акустической эмиссии (АЭ). Метод основан на том, что при напряжениях, близких к предельным, в массиве начинают развиваться (скачкообразно расти) трещины [7]. Каждый скачок сопровождается импульсом АЭ, под которым понимается сигнал АЭ, значение которого существенно отлично от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем установления переходных процессов в исследуемом объекте или системе измерения [8]. Этот сигнал с выхода приемного преобразователя, например геофона, имеет форму амплитудно и частотно модулированной колебательной системы, содержащей от нескольких единиц до нескольких десятков периодов колебаний (рис. 1).
Рис. 1 Пример формы импульса АЭ: А – амплитуда сигнала; t – текущее время.
Развитие трещин в угольном пласте происходит, как правило, по плоскостям кливажа под действием трех основных факторов: горного давления, давления свободного газа в трещинах и прочности угля. Считается, что переход призабойного пространства в опасное состояние происходит, если наблюдается аномальный рост активности АЭ [2]. Этим и обусловлена невысокая достоверность прогноза, поскольку аномально высокая интенсивность развития трещин может сопровождаться как подготовкой катастрофического разрушения – динамического явления, так и разгрузкой призабойного пространства с отодвиганием зоны повышенного горного давления (ПГД) вглубь массива при одновременном снижении максимума опорного давления [9].
Другая аномалия в поведении активности АЭ – ее снижение относительно среднего уровня – может свидетельствовать как об уменьшении опасности развязывания ДЯ, так и о начале накопления упругой энергии, если забой подошел к зоне пласта с повышенной прочностью угля (уголь – крепкий, при росте напряжений до некоторой величины трещины не развиваются), что может предшествовать развитию горного удара [9].
Таким образом, контроль лишь интенсивности развития трещин не позволяет однозначно оценивать напряженное состояние призабойного пространства. В результате невысокой достоверности метода прогноза по активности АЭ он чаще всего применяется как предупреждающий о возможной опасности в очистных выработках, где инструментальный метод неприменим из-за большой продолжительности бурения шпуров вдоль лавы.
В связи с недостаточной достоверностью прогноза ДЯ методом АЭ в последнее время все более широкое применение находит спектрально-акустический метод или, как его называют в нормативном документе [2], – «по параметрам искусственного акустического сигнала».
Этот метод основан на том, что горный массив зондируется широкополосными акустическими колебаниями (звуком), генерируемыми работающим горным оборудованием (режущим органом комбайна, струга, буровой коронкой и пр.) или искусственно созданными источниками звука, например ударами кувалды по бортам выработки. На некотором расстоянии от источника звука акустические колебания принимаются, например геофоном, и измеряется отношение высокочастотной и низкочастотной частей спектра колебаний, прошедших контролируемую область массива от источника [10]. Коэффициент затухания звука α в твердом теле в первом приближении прямо пропорционален частоте сигнала f и обратно пропорционален текущим значениям средних напряжений в массиве [10]:
, (1)
где α0 – затухание на некоторой частоте f0 при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии); σпр,ср и σт,ср – средние соответственно предельное (максимально возможное без разрушения в форме ДЯ для контролируемого участка пласта) и текущее значения напряжений в массиве; β - безразмерный коэффициент пропорциональности, определяемый акустическими свойствами массива.
Это позволяет следующим образом ввести понятие коэффициента относительных напряжений Ко.н., как отношение амплитуд акустических колебаний высокочастотной Ав и низкочастотной Ан частей спектра [10]:
, (2)
Здесь: Ав и Ан – эффективные амплитуды акустических шумов, замеренные соответственно в областях высоких и низких частотах, В; d – расстояние между источником и приемником шума, м; параметр С определяется по формуле, м-1:
, (3)
где fв и fн – характерные частоты из диапазонов соответственно верхних и нижних рабочих частот источника акустического сигнала, Гц.
Спектрально-акустический метод контроля напряженного состояния и прогноза динамических явлений к настоящему времени имеет несколько модификаций, обусловленных поиском наиболее оптимальных значений низкочастотной и высокочастотной частей спектра шума [11]. Обе эти модификации были разработаны для шахт Донбасса, поэтому учитывают особенность горно-геологических условий разработки угольных пластов этого бассейна, а именно большую глубину залегания пластов и их малую мощность.
Поскольку угольный пласт можно рассматривать как волновод, стенками которого являются вмещающие пласт породы, меньшее затухание будут иметь те гармоники, длины волн которых кратны мощности пласта. Следовательно, чем меньше мощность пласта, тем меньшие длины волн акустических колебаний и, следовательно, более высокие частоты имеют меньшее затухание. Это приводит к тому, что амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) угольных пластов для Кузбасса и Донбасса разные: у АЧХ пластов Донбасса практически отсутствуют низкие частоты (рис. 2), тогда как у АЧХ кузбасских пластов они присутствуют (рис. 3).
Рис. 2 АЧХ акустических сигналов, генерируемых отбойным молотком и комбайном, записанные на шахте «Красный Октябрь», (пласт Андреевский, мощность 0,9-1,1 м).
Рис. 3 АЧХ акустических сигналов, генерируемых комбайном, записанные на: а - шахте «Талдинская - Западная - 1», (Пласт 66, мощность 4.0-4.15 м); б - шахте «Талдинская - Западная - 2», (Пласт 70, мощность 4.95-5.14 м).
Приведенные АЧХ получены путем спектрального анализа акустических сигналов, записанных аппаратурой прогноза динамических явлений типа ЗУА-4 – на шахте «Красный Октябрь» ПО «Орджоникидзеуголь» (Донбасс), и аппаратурой типа САКСМ – на шахтах «Талдинская Западная - 1» и «Талдинская - Западная -2» АО «СУЭККузбасс» (Кузбасс).
Из рисунка 2 видно, что в акустических сигналах, проходящих по угольному пласту малой мощности, отсутствуют низкочастотные гармоники, в рассматриваемом случае - ниже частоты 150 Гц. Напротив, из рис. 3 видно, что в акустических сигналах, проходящих по угольным пластам большой мощности (в данном случае 4-5 м), имеются низкочастотные гармоники, начиная с минимально возможной в примерно 10 Гц.
Указанная особенность, а также ряд выявленных недостатков известных модификаций спектрально-акустического метода [11] обусловили необходимость разработки более совершенных модификаций этого метода, результаты которых, как мы планируем, вскоре будут опубликованы.
Акустические методы при контроле способов гидрообработки
Если метод АЭ оказался недостаточно достоверным при прогнозе ДЯ, то его применение для контроля способов гидрообработки горного массива является весьма эффективным. Это обусловлено тем, что известные способы гидрообработки как труднообрушаемой кровли, так и опасных по ДЯ угольных пластов различаются интенсивностью развития трещин в результате действия давления нагнетаемой в скважину жидкости. Поскольку, как указано выше, трещины развиваются скачкообразно, и каждый «скачок» сопровождается импульсом АЭ, начало процесса гидрообработки и его протекание можно контролировать методом АЭ.
Рассмотрим применение метода АЭ для контроля процесса направленного гидроразрыва труднообрушаемой кровли из инициирующей трещины, образованной щелеобразователем. Для аналитического описания зависимости параметров АЭ от гидравлических параметров насосной установки, фильтрационно-коллекторских и прочностных свойств горного массива принята следующая модель развития трещины. При достижении давлением в трещине критической величины трещина выходит из состояния равновесия и начинает расти. Поскольку скорость роста трещины значительно превышает скорость заполнения ее жидкостью, давление в трещине снижается и при достижении некоторой величины рост трещины прекращается.
Оказалось, что для такой модели длину трещины гидроразрыва l можно определить по числу зарегистрированных импульсов АЭ J при ее скачкообразном росте от начальной длины l0, образованной щелеобразователем, по следующей формуле [12]:
, (4)
где коэффициент kоп определяется прочностными характеристиками разрушаемого материала (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность энергии на разрыв), действующими напряжениями (нами рассматривалась плоская задача), углом ориентации трещины, ее начальной и конечной (после скачка) длинами, действующими на берега трещины напряжениями и может быть определен по результатам опытного нагнетания. Следовательно, параметр «число скачков трещины» можно использовать, во-первых, для моделирования траектории развития трещины [13], во-вторых, для качественной оценки площади образованной трещины (в простейшем случае аппроксимацией ее в форме эллипса или круга диаметром l). Выполненный качественно гидроразрыв труднообрушаемой кровли должен привести к снижению нагрузки на призабойное пространство. Как видно из описания спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния (см., например, формулу (2)), его успешно можно применять для контроля эффективности гидроразрыва кровли.
В таблице представлены данные, полученные на ш. Юбилейная ЗАО «ТопПром», пласт 16, по контролю напряженного состояния призабойного пространства в области сопряжения лавы с вентиляционным штреком, в кровле которого проводился гидроразрыв.
Таблица 1 Значения коэффициента относительных напряжений до и после направленного гидроразрыва
Источником зондирующего горный массив акустического сигнала явились удары кувалдой, произведенные в борт выработки либо по углю, либо по породе. Скважины бурились из вентиляционного штрека по мере подвигания лавы на расстоянии от нее в 20 и 40 м. Местоположение устья скважин обозначены пикетами, которые в разные дни находились от сопряжения с лавой на следующем удалении: пикеты № 180 и №184 – в 20 м, пикет №186 – в 40 м. Прием акустических сигналов осуществлялся портативным регистратором РИПАС (производитель – ООО «МНТЛ РИВАС», изготовленным в искробезопасном исполнении.
Записанные регистратором РИПАС сигналы оцифровывались и с помощью операции быстрого преобразования Фурье по выборкам отсчетов восстанавливался спектральный состав сигнала. Далее путем суммирования амплитуд гармоник в диапазоне 10-600 Гц определялась величина Ан. Аналогично путем суммирования амплитуд гармоник из диапазона частот 700-1200 Гц определялась величина Ав. Их отношение в соответствии с формулой (2) давало величину Ко.н.
Как видно из таблицы, напряженное состояние в районе сопряжения лавы с вентиляционным штреком в результате направленного гидроразрыва кровли снизилось. Однако степень снижения нагрузки этим методом пока не определена, что является задачей последующих исследований.
Гидрообработка с принудительным развитием трещин нагнетаемой жидкостью применяется также для гидрорыхления угольного пласта. Чаще всего этот способ гидрообработки осуществляется насосами с жесткой рабочей характеристикой (т.е. темп нагнетания сохраняется практически постоянным, а давление нагнетания определяется фильтрационной способностью угля). Для этих условий установлено, что оптимальное значение темпа нагнетания qопт, при котором до момента прорыва жидкости по растущим трещинам в ближайшую выработку в пласт поступит объем жидкости Q, можно определить по формуле:
, (5)
где коэффициенты a и V определяются по результатам опытного нагнетания.
Оптимальное значение ΔJ активности АЭ, сопровождающей скачкообразный рост трещин, следующим образом изменяется во времени t [12]:
, (6)
где под активностью АЭ понимается число импульсов АЭ в интервал контроля, а параметры δ1 и δ2 также устанавливаются по результатам опытного нагнетания.
Здесь длительность интервала контроля выбирается равной 1–3 мин, а весь процесс гидрорыхления зависит от длины скважины и ее фильтрующей части (за гидрозатвором), а также темпа нагнетания и может продолжаться до прорыва жидкости по растущим трещинам в ближайшую выработку в течение нескольких десятков минут.
Акустико-эмиссионный метод может применяться также для установления оптимального темпа нагнетания при низконапорном увлажнении угольных пластов. При этом под оптимальным понимается такое максимальное значение темпа нагнетания, при котором распространение жидкости по пласту осуществляется без принудительного развития трещин. Очевидно, что это значение темпа нагнетания будет предшествовать появлению импульсов АЭ.
Заключение
Приведенные данные свидетельствуют о том, что, регистрируя акустическую эмиссию, в процессе гидрообработки можно существенно повысить ее качество путем обеспечения запланированного режима нагнетания жидкости в угольный пласт или в труднообрушаемую кровлю. А контролируя горный массив спектрально-акустическим методом, удается мониторить его напряженное состояние при прогнозе опасности проявления ДЯ и выполнении операции контроля эффективности выполненных способов предотвращения этих явлений.
