К вопросу повышения достоверности прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах с использованием сейсмоакустических методов
О.В. Тайлаков, д-р. техн. наук, проф.; С.В. Соколов, мл. научн. сотр., Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (Кемерово)
Для повышения достоверности прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах с использованием сейсмоакустических методов необходимо использовать массив качественных сейсмоакустических данных, контрастно отражающий изменение физико-механических параметров разрабатываемого углепородного массива [1–4]. При этом процесс продолженного непрерывного прогноза, опережающего подвигание забоя, осложняется наличием фоновых помех различной природы, состава и интенсивности, создаваемых работающим горношахтным оборудованием при выемке угля очистными и проходческими комбайнами, передвижке секций мехкрепи, при перемещении по выработкам персонала шахты и оборудования, функционировании систем проветривания горных выработок и дегазации угольных пластов.
Для оценки состояния кровли применено сейсмическое просвечивание на проходящих волнах, выполняемое в оконтуривающих выемочный столб параллельных выработках. При выполнении геофизических работ по бортам выработок были размечены геофизические пикеты возбуждения-приема колебаний с заданным на основе особенностей изучаемых объектов интервалом. Приемная база формировалась путем линейного поинтервального размещения на стенке выработок сейсмоприемников или геофонов, подключенных к автономным регистрирующим сейсмостанциям (рис. 1).![Рис. 1 Схема сейсмического просвечивания кровли выемочного столба на примере распростране ния проходящих волн от первого пикета возбуждения колебаний (ПВ) к пикетам приема колебаний (ПП) [5]](/images/2017/06/072_1.gif)
Рис. 1 Схема сейсмического просвечивания кровли выемочного столба на примере распространения проходящих волн от первого пикета возбуждения колебаний (ПВ) к пикетам приема колебаний (ПП) [5]
Основным фактором, ограничивающим возможности геофизических методов исследования в шахтных условиях, является необходимость обеспечения требований безопасности.
По этой причине для исследования состояния кровли угольного пласта применяются механические источники колебаний, что ограничивает возможность качественного анализа амплитудных характеристик сигнала. Поэтому в прогнозе динамических явлений используется частотные и кинематические характеристики сейсмического сигнала. При этом механический источник колебаний позволяет в выемочном столбе три вида волн, а именно продольные и поперечные сейсмические волны, распространяющиеся в области кровли и почвы, а также каналовые волны, проходящие непосредственно по угольному пласту [6].
Частотный диапазон информативных данных, при этом определяется в интервале 90–150 Гц. Как правило, геофизические измерения проводятся в ремонтную смену, для которой характерно снижение общего количества источников и интенсивности генерируемых ими шумов (табл. 1).
Рис. 2 Исходная многоканальная сейсмограмма
Наличие разного рода помех отражается на качестве исходных сейсмических данных (рис. 2). В этих условиях был разработан комплекс мер, применяемых на этапах шахтовых измерений и камеральной обработки данных, позволяющих выделить в череде помех полезный сигнал. Для шахтовых измерений – это использование накопления серий возбуждения сигнала с различными промежутками между генерированием волн. Для камеральной обработки – алгоритм, составленный на основе базовых процедур обработки, имеющихся практически в каждом редакторе сейсмических данных: анализ частотного спектра волновой картины, выделение интервала частот полезного сигнала, вычитание помех, отличных по частоте от полезного сигнала, регулировка амплитудного уровня (рис. 3).
Рис. 3 Многоканальная сейсмограмма после использования алгоритма процедур обработки данных
Применение представленных процедур обработки обеспечивает выделение перечисленных выше видов волн на фоне помех, вызванных технологическими процессами при угледобыче подземным способом. При этом качество данных позволяет регистрировать проявления на осях синфазности изменения скорости прохождения волны в породах, характеризующих наличие в массиве геологических формаций с различными физико-механическими свойствами (рис. 4).
Рис. 4 Изменения прослеживания оси синфазности, вызванное различными физикомеханическими свойствами пород в пределах исследуемого интервала выемочного столба
Рис. 5 Фрагмент горизонтального разреза распределения скоростных
характеристик в области выемочного столба
В качестве примера возможности получения достоверных сейсмоакустических данных в условиях действующей угольной шахты представлен фрагмент горизонтального разреза распределения скоростных характеристик в области выемочного столба (рис. 5), полученный путем использования инструментария томографического обследования моделируемой среды, расположенной между двумя выработками, основанного на следующей общей зависимости [7]:
где V – скорость прохождения сейсмической волны;
l – расстояние от источника до приемника .
Данная зависимость при разделении изучаемого участка на N пикселей, принимает следующую форму:
где n – количество наблюдений;
dij – расстояние, пройденное лучем i (i = 1…n) в пикселе j.
Это позволяет произвести оценку мгновенных скоростей на различных участках исследуемой области. Интерпретация скоростных характеристик представленного сейсмотомографического разреза позволят сделать вывод о наличии 2 контрастных областей, характеризующих изменение физико-механических параметров кровли.
Область №1 характеризуется повышенными скоростями продольных волн. Максимальные скорости распространения колебаний на данном участке выемочного столба достигают 4 км/с. Основной особенностью области №2 является наличие в массиве на момент выполнения работ влаги, проявляющийся кроме прочего в притоке воды в выработки во время исследования. Состояние характеризуется пониженными значениями скоростей распространения продольных волн. В пределах областей №1 и №2 выделены участки контрастного изменения физико-механических параметров углепородного массива, которые были разделены на две категории. К категории A относятся зоны с повышенными скоростями распространения волн, характеризующих интервалы замещения пород непосредственной кровли, представленной мелкозернистым и крупнозернистым алевролитом, песчаником мелкозернистым. К категории B отнесены участки неустойчивых трещиноватых пород естественного и техногенного происхождения.
С учетом результатов геофизических измерений была проведена корректировка противовыбросных мероприятий, планируемых для отработки выемочного участка, что позволило снизить простои при добыче угля.
Таким образом, в условиях действующих угольных шахт возможна регистрация сейсмоакустических данных с качеством, позволяющим впоследствии выделить информативные оси синфазности продольных, поперечных и каналовых волн, на основе анализа которых можно выполнить оценку физико-механических характеристик горных пород выемочного столба. Для повышения достоверности непрерывного прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах рекомендуется проводить детальный анализ амплитудно-частотных характеристик фоновых помех, присутствующих на угледобывающем предприятии. По результатам анализа возможно дополнить обработку регистрируемого сигнала на основе программного внедрения процедур обработки из представленного алгоритма или установить внешние аппаратные модули для подавления помех.
