автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка бесскважинного способа контроля величины породной толщи, разделяющей подготовительную выработку и выбрасоопасный пласт

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

>ГБ ОД

1 3 МАМ №¿0 На правах рукописи

ШИПАЧЕВ Виктор Константинович

РАЗРАБОТКА БЕССКВАЖИННОГО СПОСОБА КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ПОРОДНОЙ ТОЛЩИ, РАЗДЕЛЯЮЩЕЙ ПОДГОТОВИТЕЛЬНУЮ ВЫРАБОТКУ И ВЫБРОСООПАСНЫЙ ПЛАСТ

Специальность 05.26.01 "Охрана труда в области

технических наук" ,

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических ' наук

Макеевка г 1УУ6

Диссертация представлена в форме рукописи. Работа выполнена в Государственном Макеевском научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ).

Научный руководитель, член-корреспондент МАНЭБ,

канд.техн.наук АГАФОНОВ

Александр Васильевич

Официальные оппоненты: академик АИН Украины, докт.техн.наук, проф.

, канд. техн. наук, ст.научн.сотр. КАЛЬЯНЦ

Аркадий Сергеевич

Ведущее предприятие - производственное объединение цо

добыче угля "Макеевуголь"

Защита состоится ^ 1996 г. в ^ часов

на заседании специализированного совета К 27.02.01 в Государственном Макеевском научно-исследовательском институте по безопасности работ4 в горной промышленности (339008, г, Макеевка, Донецкой обл., ул. Лихачева, 60).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ' Автореферат разослан Сг 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, / канд.техн.наук, сгл1аучнх6^^^9^Х1РИХОДЬКО В.М. .

ЗОРИН Андрей Никитович -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ *

Актуальность работы. Тенденция увеличения глубины ведения горных работ при подземной разработке угольных месторождений предопределяет интенсификацию проя'вления неЛтивных факторов, одним из которых является газодинамическая активность угольных пластов и пород. Так, по состоянию на 01.01.95 г. На 107 шахтах разрабатывались 447 шахтопластов, из них 226 являлись лзыбросоопаснымн, на которых уже зарегистрированы выбросы угля и газа, а 192 - угрожаемыми (потенциально выбросоопасными).

Разработка выбросоопасных пластов осуществляется с применением комплекса мер по обеспечеиишо безопасных условии труда, базирующегося на многолетних фундаментальных исследованиях в этой области,, выполненных крупными научными организациями: МакНИИ, ИГД им.А.А.Скочинского, ВНИМИ, ВостНИИ, ИПКОН РАН, ИГТМ HAH Украины и др. Однако, несмотря на прилагаемые усилия, выбросы угля, породы и газа продолжают происходить.

Особую опасность представляют выбросы угля и газа, не связанные с технологическими процессами, непосредственно воздействующими на пласт, происходящие при проведении подготовительных выработок »близи выбросоопасных пластов из-за разрушения разделяющей их породной толщи.

Основная причина происшедших явлений - отсутствие надежного и эффективного контроля величины породной толщи, разделяющей подготовительную выработку и выбросоопасный пласт.

Единственный' существующий метод контроля величины породной толщи, основанный на бурении ртпедочных скважин, .трудоемок нйеюхнологнчеп. Кроме того, и ряде случаен, пормапншые документы не исключают îiciïo ï:,човапие маркшейдерских приемок

при определении взаимного расположения выработки и выбросо-опасного пласга, что может приводить к серьезным ошибкам.

Следовательно, необходим поиск новых технических решений, обеспечивающих надежность, оперативность и исключающих субъективизм при контроле величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный пласт.

В :»к>й связи перспективным является направление исследовании, связанное с использованием резонансных явлений, возникающих при импульсном искусственном возбуждении слоистого массива горных пород.

. Изложенное определяет актуальность для угольной промышленности Украины научной задачи установления зависимости параметров акустического сигнала, искусственно возбуждаемого в горном массиве, от взаимного положения полевой выработки и выбросоопасного пласта и на ее основе разработку бесскважшшо-го способа контроля, обеспечивающего безопасность' и эффективность веденш! горноподготовитезшных работ.

Диссертация базируется на результатах, полученных при выполнении отраслевой научно-исследовательской программы Минуг-лепрома Украины в 1992-1995 гг, № 1719201000 "Разработка спосо-. бов и гехлнческих средств конгроля состояния выбросоопасного горного массива, прогноза и борьбы с внезапными выбросами угля, породы и газа". * - ■

Слепень исследованноеш тематики диссертации. В диссертации огражецы теоретические обоснования возможности разработки бесскважинного способа контроля величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный шаст, подтвержденные исследованиями в различных горно-геологических условиях', положительными результатами промышленных испытаний и внесения способа.

Целью работы является установление зависимости параметров акустического сигнала, искусственно возбуждаемог о в горном массиве, от величины породной толщи, разделяющей подготовительную выработку и выбросоопасный пласт, для разработки бес-скважшшого способа ее контроля, "обеспечивающего повышение безопасности и эффективности ведения горноподготовительных работ.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и регионы следующие задачи исследований:

1. Обосновать возможность контроля величины породной толщи между выброеоопасным пластом и выработкой, проводимо!! в слоистом массиве.

2. Исследовать характер изменения параметров' импульсного искусственно возбуждаемого акустического сигнала от горно-геологических условии, приемов его возбуждения, регистрации и обработки на ЭВМ.

3. Разработать методические приемы регуляризации при определении величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный пласт.

4. Разработать алгоритм обраоотки акустической информации.

5. Разработать методические приемы реализации способа.

6. Провести промышленные испытания способа,

• 7. Выполнить технико-экономическую опенку эффективности способа.,

Идея работы заключается в пеполыиаашш резонансных явлений, возникающих I! слоистом горном массиве при его искусственном импульсном возбуждении дня контроля величины породной тошци, разделяющем подготовительную выработку и выбросоопасный пласт.

.Тсореппсския и-нрякчнчс.-кая ценность исследоп.ипп!, их науч-

пая новизна. На оснований теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие научные положения: •

1. Амшштудао-часготиая характеристика (АЧХ) импульсного акустического сигнала, искусственно возбуждаемого в слоистом массиве, отражает величину породной толщи между выработкой и выбросоопасиым пластом и обусловлена резонанСНЬШи явлениями за счет плоскостей послойной трещцноватости, формирующихся в приконтурной области выработки. " •

2. Параметры импульсного искусственного акустического сигналь зависят от приёмов его возбуждения и регистрации, прочностных характеристик горного массива и горно-геологических условий проведения подготовительной выработки..

3. Надежность определения величины породной толщи, разделяющей подготовительную выработку и выбросоопасньщ пласт, определяется объемом акустической информации, обеспечивающим необходимую точность.

Получены следующие научные результаты:

1. Установлена зависимость АЧХ импуйьсиого сигнала, искусственно возбуждаемого в подготовителышй вЬфабоТКе, от величины, разделяющей ее и выбросоопасный пдаст породной толщи, контрастность проявления которой предопределяется ее литолога-ческнм составом и прочностными свойствами, их взаимноШориеи-тацией, а также взаиморасположением приемника сигналов, места возбуждения и забоя выработки. • '

• 2. Разработаны принципы регуляризации при возбуждении и обработке искусственных импульсных акустических сигналов, обеспечивающие надежность контроля величины породной толщи ■ между выработкой и выбросоопасиым пластом.

3. Разработан алгоритм обработки акустическ'ой информации.

Методы исследовании. В работе использован комплекс методов,

включающий анализ и обобщение научно-технических источников и фондовых материалов, аналитические исследования параметров импульсных акустических айгналоп? искусственно возбуждаемых в горном массиве, экспериментальные исследования в шахтных условиях, обработку результатов методами математической статистики.

Личный вклад автора в решение проблемы безопасного ведения горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, заключается в установлении зависимости АЧХ импульсного искусственно возбуждаемого акустического сигнала от величины породной толщи, разделяющей выработку и выброео-опасный пласт, в разработке алгоритма обработки акустической информации и методических приемов реализации бесскважинцого способа, контроля, обеспечивающих необходимую точность и надежность,

Практическая ценность работы. Разработан оперативный, надежный, низкозатратный, лишенный субъективизма способ контроля величины породной тог :;и между полевой выработкой и выбросоопасиым пластом, обеспечивающий повышение безопасности при ведении горноподготовительных работ.

Реализация результатом работы. Основные положения и результаты, работы включены в "Рукоподсшо по щ имененшо бессква-жшшого способа контроля расстояния от ти-дшн выработки до . выбросооиасиого yi o.4F.Hoi o пласта при веденпп подготовительных работ", "Руководство по применению, способа двухстадийиого проведения выработок по особо выбросооиасным пластам", "Руководство до локальной разгрузке иыбросоопасныч угочьшдх пластов полевыми выработками".

Способ внедрен нащахге'им. КЛ1. Поченког.а ПО "Млкеев-• уголь" при проведении тажч'ч'к.г-'О' л у клоня, сгоочог «тельного *}.

людского ходков пласга ks. ■ ■ .

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и одобрены горной секцией Ученого совета МакНИИ (Макеевка, 1993-1994 гг.), Центральной комиссией по борьбе с газодинамическими явлениями на шахтах угольной промышленности Украины (Донецк, 1993-1994 гг.).

Публикации. Результаты исследований изложены в четырех печатных работ ах и трех нормативных документах.

Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, основной части, включающей семь разделов, и заключения, изложенных на 151 странице, содержит 35 рисунков и 13 таблиц, список литературы из 56 наименований и 2 приложения.

Автор выражает глубокую признательность коллективу отдела внезапных выбросов угля, породы и газа МакНИИ за помощь в проведении Шахтных экспериментов и исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Сосгошшс вопроса. Анализ результатов исследований, посвященных созданию безопасных условий труда при ведешш горных работ на иыбросоопасных пласгах, выполненных известными учеными акад. A.A. Скочйнским, С.А. Хрнстиановичем; докт. техн. наук И.В. Бобровым, И.М. Печуком, А.Т. Айруни, М.'И, Болышшс-ким, В.Е. Забигайло, А.Н. Зориным, В.И. Николиным, А.Э. Пеггро-сяном, И.М. Петуховым и др., показывает, что выброс угля, породы и »аза представляет процесс самоподдерживающегося хрупкого разрушения под действием деформаций растяжения в сторону обнажения пласта, обусловленных величиной исходного напряженного состояния, уровнем ег о газонасыщения и интенсивностью технологического воздействия, то есть уровнем потенциальной энергии и условиями ее реализации. Однако, как показывает опыт, проявле-

ние выбросоопасности возможно без непосредственного технологического воздействия на угольный трет. Это так называемые самопроизвольные вскрытия, происходящие при приближении выработки к выбросоопасному пласту, вследствие разрушения разделяго-

- • *

щей их породной толщи. Такие выбросы отмечены иа шахтах "Кочегарка" и им. М.И. Калинина ПО "Артемуголь", им. К. Маркса и "Красный Профинтерн" ПО "Орджоникидзеуголь", "Чанкнно" ПО "Макеевуголь", "Глубокая" и им. А.А. Скочинского ПО "Донеик-уголь".

Причина происшедших газодинамических явлений - отсутствие контроля величины породной толщи, разделяющей выработку и пласт, в результате чего не был своевременно введен в действие комплекс мер по борьбе с внезапными выбросами угля и газа. Такие газодинамические явления, в ряде случаев, представляли особую опасность для жизни людей, находящихся в это время в пределах опасной зоны, так как они произошли через некоторое время после завершения взрывных работ или во время их ведения без соблюдения режима сотрясательного взрывания, и только по счастливой случайности ire произошло крупномасштабных аварий с большим количеством человеческих жертв.

Анализом опыта ведения горных работ F<a вмбросоопасных угольных пластах в Донецком бассейне и применяемых Mq) по обеспечению безопасности при проведении выработок вблизи выбро-соопасных пластов усыновлено, что, несмотря на кризисное состояние угодной промышленности, объем проведения таких выработок остается достаточно высоким. Так, при полевой подготовкс пластов крутого залегания объем проведения выработок на расстоянии менее 5 м от. выбросоопасного пляс га составляет около 4000 м в год. Кроме того, производится около 150 вскрытий угольных пластов, склонных к yon аза. Олшжо норма-

тивные документы не регламентируют методы контроля величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный пласт, что не исключает использование маркшейдерских приемов для ее определения, н обусловливает неизбежность оцщбок.

Анализом научно-технической и патентной информации установлено, что метод контроля, основанный на бурении разведочных скважин, трудоемок, нетехнологичец и субъективен/Поэтому решение поставлашой задачи может базироваться на использовании бешшйжшных способов контроля с использованием геофизических методов. Однако методы электроразведки, сейсмоакустическо-го зондирования и локации, отраженных и преломлешшх волн, использование радаров имеют существенные недостатки г наличие "мертвой зоны", влияние трещшюватости пород в приконтурной области выработки, неоднозначность получаемого результата и др., что не позволяет их использовать для кошролявеличины породной толщи. Перспективным направлением решения этой задачи является бесскважинный способ, основанный на использовании резонансных явлений, формирующихся при импульсном искусственном возбуждении слоистого массива горных пород.

Физические основы акустическою метода контроля величины породной гол щи, разделяющей подготовительную выработку и выбросоопасный пласт. .Яьленне акустического резонанса и массиве, разделенном ослабле»шыми коитактамиу.установлено А.Г. Гликма-ном и заключается в .том, что при импульсном возбуждении слоев горных пород возникают затухающие гармонические колебания с частотой /о и добро тностью £). Часто га/о - собственная частота-упругих колебаний в'слое, пропорциональна его мощности, является дои него резонансной и определяется соотношением .

V '• • ':.' •

{ = !£!£. . ... т

' }о И ' Л)

, где Ксдв. - фазовая скорость сдвиговых воли;

А - мощность слоя.

Для подавляющего большинства горных пород скорость сдвиговых волн определена эм'пиричАжи й составляет около 2500 м/с.

Характер затухания определяется добротностью колебательной системы <2, определяемой из соотнощения в

где Д/ - разнила частот на уровне 0,7 максимальной амплитуды.

Добротность системы определяется степенью ослабления контактов с другими слоями, физико-механическими свойствами, степенью трещиноватости, обводненностью и др. В спектрограмме акустического сигнала добротность слоя проявляется в амплитуде и крутизне очертания резонансной частоты.

Таким образом, на основе явления акустического резонанса, возникающего в слоистом массиве горных пород, путем спектрального анализа возможно определение мощности слоев, слагающих массйв горных пород.

Однако решение этой з .дачи осложнено следующим. Зависп-. мость (I) получена дам единичного слоя - пластины, имеющей четкие границы. Реальный горный массив является многослойной неоднородной средой, находящейся в естественном поле напряжений. Вследствие проведения выработки позникае г возмущение поля напряжений, сопровождающееся послойным деформированием массива. Деформации существенно,ослабляют, во-нервых, контакт вы-бросоопасного пласта с вмещающими породами, а во-вторых, меж-слоевон контакт, который является продолжением в массиве плоскости его рбнаженмя в горной выработке. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что весьма существенные деформаций, прежде всего, происходят па мсжслоевых кон*

тактах (наименее прочных) и активно развиваются на расстоянии не менее трех приведенных радиусов подготовительной выработки. Таким образом, развитие деформаций вследствие перераспределения напряжений в приконтурной области выработки создает благоприятные условия для формирования обособленного слоя горных пород между выработкой и выбросоопасным пластом, а следовательно, и колебательной системы достаточной добротности. Поскольку это обособление вдоль плоскости обнажения пород в стенке выработки имеет ограниченные размдэы, то и надежное определение расстояния от выработки до выбросоопасного пласта теоретически ограничено утроенным приведенным радиусом подготовительной выработки. Но развитие техногенной трещиноватостй, активизация процессов деформирования не только у угольного пласта, но и у других лихологических разностей, а также развитие Трещиноватостй, ориентированнойпо нормали к напластованию, оказывают существенное влияние на контрастность и однозначность определения величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный пласт.

С целью оценки факторов, определяющих надежность контроля величины породной толщи между выработкой и выбросоопасным пластом, выполнены экспериментальные исследования в иодгото-• цительных выработках шахт им. К.А. Румянцева и "Кочегарка" ПО . "Артемуголь", № 9 "Капитальная" .шУу "Красная Звезда" ПО "До-нецкуголь" и им. К.И.ПочешГова ПО "Макеевуголь", разрабатывающих выбросоопасные пласты крутого и пологого залегания. На • ,шахте им. K.V1. Почеикова выработки проводились вблизи выбро-coüjiacnoj o песчаника. Вмещающие породы, по которым проводились выработки, представлены песчано-гшшИстьшн," песчаными сланцами и песчаниками различной мощности и структуры. Выра-fioiKH располагались как в- почве, так и в кровле, выбросооиасных

пластов на расстоянии от 0,8 до 14 м. Проведение выработок осу ществлялось буровзрывным и механизированным способами.

Методика проведения экспериментальных исследований в шахт-пых условиях. Регистрация акустических сигналов производилась преимущественно пьезоэлектрическими сейсмоприемниками, которые крепились к стенке выработеи с помощью* алебастра или прижимались к массиву путем расклинивания мевду арочной крспыо. Запись акустических сигналов осуществлялась шахтным регистратором РАМШ конструкции МакНИИ. Сейсмоприемник устанавливался на почве, стенках и кровле выработеи на различном расстоянии от забоя. Возбуждение производилось в радиусе 1...5 м от сейсмоприемнпка, в определенных точках, как правило не менее 3-х, путем нанесения ударов молотком. В каждой точке количество ударов по массиву было не менее 10. Обработка акустической информации выполнялась по специальной программе на персональных Компьютерах "Электрошпса МС 1212" и IBM, оснащенных аналогоцпфровыми преобразователями (АЦП). Обработка заключалась в выделении полезного акустического сигнала, получении спектра с помощью быстрого преобразования Фурье, выделении резонансных частот, обусловленных слоистым строением массива, вычислении мощности слоев резонаторов и добротности колебаний, нормировании спектров и их сопоставлешш.

Исследование факторов, определяющих надежность, кот роля величины породной толщи, разделяющей выработку и пмбросоопас-нъш пласт. Исследованиями подтвержден факт образования слоя пород между горной выработкой и выбросо опасным пластом угля или песчаника, который ограничен ослабленными контактами и в котором имеют место.резонансные явления. Однако количество резонансных частот на АЧХ акустического ст лала, соотношение их амплитуд, контрастность выделения пеинктспоч частил, об\сю

ьленной толщей пород между выработкой и выбросоопасным пластом, определяется рядом факторов. Л

Установлено влияние элементов системы возбуждения и приема на АЧХ акустического сигнала. Если при неизменном положении ссйсмоприемника удары наносятся в одну и ту же точку массива и соблюдается одинаковое направление удара, то дрейф резонансной частоты в этом случае составляет менее 1%.

Однако смена места точки возбуждения упругих колебаний очень часто приводит к существенным изменениям в облике А.ЧХ акустического сигнала замечет изменения, амплитуды Тех или иных резонансных частот. Эти изменения в меньшей мере охватывают частоты, обусловленные слоем пород между горной выработкой и выбросоопасным пластом.

Столь же существенные изменения спектр акустического сигнала претерпевает при смене места крепления сейсмоприемника. Но резонансные частоты, обусловленные протяженными слоями с резко очерченными границами, к числу которых относится, прежде всего, толща пород между горной выработкой и выбросоопасным слоемj имеют на спектрах сравшггелыю устойчивые значения амплитуд. ; . ■ ;.

По мере удаления пункта наблюдения от забоя снижается интенсивность резонансных частот в целом: если вблизи забоя амплитуда составляет 5...10 условных единиц, то на расстоянии 25 м -I ...1,5. Максимальная амплитуда резонансной частоты, связанная с'', расстоянием до угольного пласта, зафиксирована на шестомметре от забоя и составляет }3'усл. ед. Эго объясняется тем, что по мере удаления от* забоя развивается ориентированная по нормали к напластованию чрещиноватость. ' . . ' "'■•

Исследовано .влияние 'литологцческого состава пород, в которых проводится выработка,. и вмещающих «ыбросорпасный пласт. ,.

Наиболее благоприятные условия для надежного определения величины породной толщи между выработкой и пластом - при ее проведении в монолитных песчаниках, а наименее благоприятные -в сланцах. В ¡выработках, проводимых в сланцах, спектры имеют : большое количество резонансных частот и в широком диапазоне. В таких условиях зачастую без дополнительной информации трудно выделить резонансную частоту, определяющую мощность породной толщи между выработкой и выбросоопасИым пластом.

Надежность выделения резонансной частоты И определения мощности породной толщи зависит также от расположения пласта относительно горной выработки и способа ее проведения. Резонансная частота выражается более контрастно при механизированном способе проведения выработки и при расположении выб^осоопас-ного пласта слева или справа от нее при крутом залег алии пород. Менее благоприятные условия - буровзрывной способ проведения выработки и расположение пласта со стороны ее почвы, так как в этом случае наиболее интенсивно развивается трещнноватость в слое пород между пластом и выработкой.

Установлено, что по единичному импульсу акустических колебаний невозможно с необходимой надежностью определить величину толщи пород между выработкой и выбросоопасным пластом. 'По результатам этих исследований определены приемы получения акустической информации и ее обработки для обеспечения такой надежности. К ним относятся: многократное возбуждение акустического сигнала в одной точке, возбуждение сигнала в 3...5 точках при Неизменном положении сейсмоприемника, смена положения сейсмоприемника (2...4 точки.крепления), возбуждение акустического сигнала со стороны расположения угольного пласта и с проти- , воположной стороны, использование априорной информации о положении выбросоопасного пласта хотя бы в одном пункте наблю

дения и фильтрации сигнала с учетом этих данных. Такая схема регистрации обеспечивает получение 10...20 независимых измерений величины породной толщи и применение приемов математической статистики для обработки этих данных.

Разработка методических приемов реализации способа и алгоритма обработки акустической информации. Для решения методических вопросов реализации способа (тип сейсмоприемника, способ его крепления, ориентация оси максимальной чувствительности и др.) проведены исследования, основанные на возбуждении и регистрации акустических сигналов в одних и тех же горно-геологических условиях, но с переменными параметрами способа. Оценка эффективности того или-иного параметра осуществлялась по степени контрастности выделения резонансной частоты, обусловленной толщей пород между горной выработаой й выбросоопасным пластом. Исследования выполнены на объектах крутого и пологого залегания пород. В результате установлено, что оптимальным вариантом является:

- тип сейсмоприемника - пьезоэлектрический;

- ориентация оси максимальной чувствительности - вдоль напластования и оси выработки; ' \

- способ крепления сейсмоприемника - на обнажении горных пород при помощи алебастра или путем прижатия;

- место установки сейсмоприемника-1...3 м от забоя;

- направление удара - вдоль напластования при мощности толщи до 3 м и по нормали к наНластоиаШпо - при мощности более 3 м. ,

Исследован прием регуляризация решения обратной задачи -определешм величины породной толщи по спектру акустического .сигнала, основанный на априорной информации. Такая информация может быть получена путем бурения хотя бы одной разведоч-

ной скважины или из иных источников. На стадии обработки акустического сигнала, используя априорные данные о величине породной толщи между выработкой и выбросоопасным пластом, осуществляется полосовая фильтрация сигнала перед выполнением быстрого преобразования Фурье или обнуление спектра за пределами интервала, в котором расположена искомая резонансная частота. Интервал, определяется из соотношения

/l,2=/o + 0,2/о , (3)

где/о - резонанслая частота, которая определена по формуле (1) с использованием априорной информации о величине h.

Для обработки акустической информации разработан алгоритм, состоящий из шести блоков: паспортные данные, ввод информации и выделение импульсов, выбор одного для последующей обработки, быстрое преобразование Фурье, выбор резонансных частот, их статистическая обработка, вычисление величины породной толщи и распечатка данных.

Введение информации и выделение импульсов осуществляемся отдельно для каждого nyiacra возбуждения. Из выбранных пяти импульсов отбирается один наиболее представительный, по которому выполняется быстрое преобразование Фурье и определяется АЧХ сигнала. Дальнейшая обработка заключается в выделении резонансных частот в Интервале, заданном согласно соотношению ' (3). Аналогичная процедура ¡выполняется для всех других записей сигнала, выполненных при смещении точек возбуждения и приема. Резонансные частоты подвергаются анализу, в результате которого определяется наиболее вероятное значение мощности породной толщи между горной выработкой и выбросоопасным пластом и среднеквадрэтическое отклонение по результатам серии определений. Согласно алгоритму составлена программа "PLAST", работающая вереде MS DpS.

Применение совокупности методических приемов позволило определять величину породной толщи, разделяющей выработку и-вы-бросоопасный пласт, однозначно и с достаточной точ ностью. На стадии разработки способ опробован в различных горно-геологических условиях на шахтах им. К.А. Румянцева и "Кочегарка" ПО "Артемуголь", № 9 "Капитальная" ПО "Донецкуголь".

На шахте им. К.А. Румянцева в откаточном штреке участка № 82 выполнено и обработано 161 наблюдение. При величине породной толщи 3,8 м, акустическим способом получено 3,75±0,18 м. В откаточном штреке участка № 96 выбросоопасные пласты расположены слева (на расстоянии 3,6 м) и справа (на расстоянии Им). Расстояние до угольного пласта слева определено с величиной среДнеквадратического отклонения ±0,15 м, а до пласта справа - с относительной ошибкой 9%. В штреке участка № 66 относительная ошибка в определении мощности породной толщи не превысила 5%. Аналогичные па точности определения результата получены на шахте "Кочегарка" в откаточном штреке участка № 66. '■!

При пологом залегании пород исследования выполнены при проведении полевого грузового ходка конвейерного уклона пласта ¿2 и полевого коренного вентиляционного штрека этого ясе пласта. Отклонение экспериментальных. данных от фактических, определенное бурением скважин, не превышало 8%, а в среднем - 4,7%.

Промышленные испытания способа: контроля. "Инструкцией по безопасному ведению горных раббт на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (М., ИГД им. А.А.Скочинеко-го, 1989 г.) определен, порядок применения комплекса мер по безопасному проведешпо подготовительных выработок при приблнже- ■ нии к выбросоопасному пласту при величинах породной толщи до 2,1...5и5...10м. . ",.

Исходя из этого, выбор объектов для проведения промышлен-'

- ных испытаний способа производился таким образом, чтобы вели-чшы породаон толщи охватывали интервал 1...10м, выбросоопас • ные пласты располагались со стороны стенок, почвы и кровли выработок. Расчетами установлено'; что для'объективной оценки не обходимо проведение не менее 42 наблюдений при условии, что коэффициент вариаций для каждого пункта наблюдений не превысит 0,2.

Промышленные испытания вьшолнены на следующих шахтах: № 9 "Капитальная" Пр "Донецкуголь" при проведении коренного ; вентиляционного и главного откаточного штреков вблизи выбро-соопасных пластов Лг, и АЗ; им. 60-летия Советской Украины и '"Глубокая" ПО "Донецкуголь" при проведении людского ходка Второй ступени и 13, 14 бортовых штреков вблизи выбросоопасно-го пласта /м;"Кочегарка" ПО "Артемуголь" при проведешщ поле- вых штреков участков № 66 (гор. 1080 м) и № 81 (гор. 970 м) вблизи выбросоопасных пластов 1\ и /з.

Результаты определениявеличины породной толщи акустическим методом проверялись путем бурения разведочных скважин. Фактическое число наблюдений составило 54, а коэффициент вариаций не превысил 0,10. Сводные данные о распределении относительных ошибок определения величины породной толщи для различных интервалов приведены в таблице.

Средние ошибки определения величины пород! Гой толщи м<;жду выработкой и выбросоопасным пластом

' Интервал, м Количество пунктов Огноснтелыгая

наблюдений ■ ошибка, %

Более 5 18 . 3,3 .

' 2—5 24 ■ ; 4,3

Менее 2. . ' - 12 ■ : 7,2

Таким образом, результаты промышленных испытаний показали, что способ обеспечивает высокую точность и надежность определения величины породной толщи в различных горно-теологических и горнотехнических условиях проведения подготовительных выработок, оперативен, требует минимальных трудовых затрат, исключает субъективизм и др.

Внедрение бсс.кважтшого способа контроля. Внедрение способа осуществлено при проведении конвейерного уклона, вспомогательного и людского ходков пласта ks на шахте им. К.И. Почещсова ПО "Максеэуголь". Выработки проводились буровзрывным способом в песчаных сланцах на расстоянии 2—6 м от залегающего в кровле выбросоопасного песчаника мощностью S...7 м, над которым расположен выбросоопасный пласт kg. Проведение выработок осуществлялось ШСУ М> 5 треста "Макеевшахтострой". Регистрация акустической информации производилась с использованием магнитного регистратора РАМШ с порледующей обработкой на. компьютере типа IBM PC/AT по программе "PLAST".

1.1. -t-WT 1 .т.,—|-f>A..i . 1—мм-—м—I—»—I—I

0,1 0,4 0.« <М» 1,0 Г. кГЦ 0.1 М °.6 од 1,0 jrKr„

Рис. I. Амплитудно-частотная характеристика сигнала до (а) и после (б) преобразования

На рис. 1. (а) - один из серии спектров исходного акустическог о сигнала, а на рис. 1. (б) - спектр, обработанный с испрльзованием приемов регуляризации, согласно соотношению (3). Величина по-

родной толщи между выработкой, выбросоопасный песчаником и угольным пластом кг, определенная акустическим методом составила, 3,26±0,14 и 6,72±0,18 м Ьоответственно. Отклоише от данных, полученных путем бурения разведочных скважин составило, в среднем, 0,15 м.

Экономический эффект от замены нормативного способа контроля, основанного на бурении разведочных скважин, на бессква-жинный способ контроля при проведении 302 м выработок составил 479550 тыс. крб. или 1600 тыс. крб. на один метр проводимой выработки в ценах на 01.01.96 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании аналитических и экспериментальных исследований решена актуальная для угольной промышленности Украины научно-техническая задача по разработке бесскважинного способа контроля величины породной толщи, разделяющей подготовительную выработку и выбросоопасный угольный пласт, обеспечивающего повышение безопасности и эффективности при ведении горноподготовительных работ.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) импульсного акустического сигналу, искусственно возбуждаемого в слоистом массиве, обусловлена резонансными явлениями плоскостей послойной трещиноватости, формирующихся в прикон-турной области выработай, и отражает величину породной толщи, разделяющей ее и выбросоопасный пласт.

2. Экспериментально установлено, что контрастность проявле-иия величины породной толщи, разделяющей выработку и выбросоопасный пласт, на АЧХ искусственно возбуждаемого акустичес-

кого сигнала предопределяется се литологнческим составом и прочностными свойствами, их взаимной ориентацией, и также взаиморасположением забоя выработки, приемника сигналов и места возбуждения.

3. Разработаны принципы регуляризации при возбуждении и обработке искусственного импульсного сигнала, обеспечивающие надежность контроля величины породной толхцн, разделяющей выработку и выброооопасный пласт, включающие многократное возбуждение сигнала в одном пункте наблюдений, изменение взаиморасположения места возбуждения сигнала и приема, взаимоориентацию оси максимальной чувствительней приешвпса и направления возбуждения, введение априорных данных о величине породной толщи, селекцию резонансных частот по амплитуде и др.

4. Разработаны методические приемы реализации способа, алгоритм обработки акустической информации и программное обеспечение для персонального компьютера.

5. Проведены промышленные испытания способг бссскважинно-го контроля величины породной толщи, разделяющей подготовит, тельную выработку и выбросоопасный Пласт, в различных горногеологических условиях на шахтах, разрабазызающих угольные пласты пологого и крутого залегания. Отклонение в определении везшчииы породной толщи не превышало,8%.

• 6. Внедрение способа осуществлено в соответствии с "Руководством по применению бесскважишюго, способа ксчггрояя расстоя- • ния от полевой выработки до выбросоопасного угольного пласта при ведении подготовительных работ" на шахтах им. К.И.Почен-кова ПО "Макеевуголь" при. проведении конвейерного уклона,-в сп о м о г ателы I о г о и людского ходков пласта к е..

Экономический эффект от внедрения способа составил 479/» млн. ;:рб. , •

7. Результаты научных исследований реализованы в следующих нормативных документах:

"Руководство по применению бесскважинного способа контроля расстояния- от полевой выработки до выбросоопасного угольного пласта при ведении подготовительных работ";

"Руководство по применению способа двухстадийного проведения выработок по особо выбросоопасным пластам";

"Руководство по локадьной разгрузке выбросоопасных угольных пластов полевыми выработками".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Шипачев В.К. Регуляризация рещения задачи определения акустическим способом расстояния от горной выработки до выбросоопасного пласта //Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. науч. тр. -Макеевка: МакНИИ,-1995, С. 52-56.

2. Агафонов A.B., Недосекин Б.Н., Шипачев В.К. Горноэкспериментальные исследования по отработке способа двухстадийного проведения выработок по особо выбросоопасным угольным пластам //Там же. - С. 194-20Ö.

3. Агафонов A.B., Силаков С.М., Баяинченко М.А., Шипачев В.К.. Разработка алгоритма реализации акустического способа определения расстояния от горной выработки до угольного пласта //Там же.-С. 18-21.. г

4. БобровiA.ll, Агафонов A.B., Колчин Г.И., Шипачев В.К. Акустические способы оценки н контроля состояния горного массива //Там же. - С. 3-13. /

Соискатель

В.К. Шипачев

, А Н О Т А Ц I Я

Шипачоп В.К. Розробка безспердтювшшого засобу контроля ве-тячгшн породно! товцц, яка роздоляе тдготовчу виро%у 1 внкидо-небсзпсчний пласт: ,

Диссртащя (рукопис) иа здобуття науковою ступеня кандидата тсхшчннх наук V спешальносп 05.26.01 "Охорона пращ в галу:н (ехшчних наук", Державннй Макнвський науково-дослщний шсти-тут по безпещ роба в прничш промисловостз, Макивка, 1996.

ЬЯстнть теорстачт 1 експериментальш дослщження рсзонансних ЯК1 формуються у сло!стому горному масив1, що дозволяють розробпти безсвердловгопшй зайб контроля велнчшш породно! товнв кпж шдгото: чою виробкою 1 внкидонебсзпсчтш пластом,. яки» забезпсчус пщвищсння безпечностт т ефективностз ведання пр-ничопщготовчнх робгг. Проведет промисловг внпробуванш т упроваджешш засобу. .

Кдгочов! слова: резонансщ явища, породна товща, шдготовча ииробка, влкидонебезпечний пласт.

ANNOTATION

Shipachev V.K. Holeless method to control thickness of rock strata separating development working and outburst seam.

The thesis (manuscript) presented, for the degree of Candidate of Sciences (Engineering) in 05.26.01 speciality "Labour protection in Engineering", State Makeyevka Safely in Mines Research Institute, Makeyevka, 1996.

The thesis contains findings of theoretical and experimental investigations of resonance phenomena occurring in laminated rocks, enabling to develop a holelcs method to control thickness of rock strata between a development Working and an.outburst scam, and contributing to increased safety and efficiency of development operations. The method has been fieldtested and introduced.

Key words: resonance phenomena, rock strata, development working, outburst seam.-

РсгвпрКЕГ. МзкНПИ. Заказ 5c. Ткрзж ТС0 'экз.

■» /Л. Г\и с

■ \ Х- j*'Ok *Ь• -