автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование способа прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала для подготовительных выработок, проводимых буровзрывным способом

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ и ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА нм. А. А. СКОЧИНСКОГО

На правах рукописи БОБРОВ Иван Анатольевич

УДК 622.831.322

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ

ПО АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ

05.20.01—'„Охрана труда и пожарная безопасность".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

М о с к в а—1994

Работа выполнена в Донецком Государственном техническом университете (ДПИ).

Научный руководитель— проф., докт. техн. наук В. И. НИКОЛИН

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук С. А. ЯРУНИН

канд. техн. наук Б. М. ИВАНОВ

Ведущее предприятие—производственное объединение „Донецкуголь".

Автореферат разослан ■ ¿^¿¿¿^ 1994 г

>5-т}ащита диссертации состоится .1994 г.

в У с/ часов на заседании специализированного совета К. 135.05.03 при институте горного дела им. А. А. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А. А. Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета, проф., докт. техн. наук

И. Г. ИЩУК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АктУЭ-дьцооТЕ работа. Выброси угля и газа продолжают оставаться одной из наиболее сложны* проблем горного производства и представляют одну из наибольших опасностей для трудящихся. В настоящее время в Донецком бассейне около 4 ох добычи.приходится на опасные и угрожаемые по выбросам угольные пласты. Проблема обеспечения безопасности труда в условиях возможного возникновения выбросов,, приобретает псе большую остроту и на шахтах России с увеличением глубины разработки. Анализ опыта ведений горных работ в Донбассе показывает, ><то наиболее часто ; выбросоопасность проявляется в подготовительных выработках, Проводимых буровзрывным способом, интенсивность выбросов в которых достигает 2000 и более тонн.

1 На угрожаемых шахтопластах такие выработки.проводятся с применением текущего прогноза вибросоопасности. При этом, как показывает анализ, безопасность работ нередко снижается в результате систематических нарушений требований нормативных документов в части прогноза, когда оценка вибросоопасности осуществляется некачественно или не выполняется вообще. Такие нарушения во многом являются следствием недостаточной надежности существующих с.поообов прогноза, их низкой технологичности и, возможности субъективного влияния исполнителей на результат прогнозирования. ■

При проведении подготовительных выработок буровзрывным.спосо-!ом по выбросоопасным шахтопластам текущий прогноз вибросоопасности |е применяется, а взрывные работы производятся в режиме сотрясатель-юго взрывания. В связи с локальным характером возникновения выбро-ов применение сотрясательного'взрывания без оценки реальной выбро-оопасности приэабойной части угольного пласта приводит к неоправ-анному увеличению экономических затрат и снижению безопасности тру-а в результате нарушений правил производства взрывных работ, когда дитсльиость работников притупляется длительным отсутствием выбро-эв.

Таким образом, разработка надежного, технологичного, автома-

и:>Щ)(»ваш'1ого' способа щюгио.ь) вибросоопасности для подготовительных ¿работок, проводимых. бУр.ипзриппыи способом, является актуальной на-

учно-технической задачей, решение которой по»полит повисит,ь безопасность работ и сократить непроизводительные затраты на выполнение противовыбросных мероприятий и оогрясательцое взрывание в фактически новкброеооиасинх зонах уголышх пластов.

Диссертация связана с выполнением работы на тему: "Разрабо-та.ть способ определения величины зоны разгрузки краевой части вибро-соопасного угольного пласта", проводимой в рамках тематических планов ДонГТУ и МакНИИ, а также отраслевого заказа Госуглепрома Украины (и гос. регистрации 01.9.Ю 0152т.).

Целю работн является установление особенностей динамики спектральных характеристик акустического сигнала, воз пикающего в горном массиве при технологическом воздействии на забои, но мере подвигания выработки с учетом реального газодинамического состояния призабойной части угольного пласта для совершенствования способа прогноза выбро-соопасности в части повышения его надежности и автоматизации.

Идея работы аакмрчается и уточнении критериев и сово.рщенст&о-вании методики прогнозирования за счет спектральной обработки акустического енгнала и анализа динамики его амплитудно-частотных характеристик на ПЭВМ.

Методы исследований. Основным методом исследования является аналитико-акспериментальный, базирующийся на применении инженерного анализа, Использовании вычислительной техники, аппарата математической статистики и спектрального анализа для изучения в шахтных условиях особенностей спектра акустического сигнала, отражающих газодинамическое- со,стояние призабойной части угольного пласта.

Основные научные положения, выносимые на защиту,

1. Изменение спектра акустического сигнала, вызванного ударным (технологическим) воздействием на забой по мере проведения подготовительной выработки, определяется геологическим строением и динамикой напряженно-деформированного состояния призабойной части горного массива, что уточняет представления- о физической природе связи спектральных характеристик'акустического сигнала с выбросоопасностью и позволяет усовершенствовать нормативный способ прогноза внбросоо-

1 пасных зон. .

2. В спектре акустического сигнала, возникающего в горном массиве при воздействии на угольную и породную части забоя подготовительной выработки, присутствуют одни и те же 'резонансные частоты,

что позволяет осуществлять прогноз внбросоопасности по спектральным характеристикам акустического сигнала без внедрения в потенциально выбросоопасный угольный массив.

3. Между средней амплитудой высоко- и низкочастотной составляющих спектра акустического сигнала и величиной эонн |;азгруэки имеются зависимости, которые описываются уравнениями экспоненциального

вида, что позволяет оценивать газодинамическое состояние призабойной части угольного пласта по динамике каждой из указанных составляющих И обеспечивает повышение надежности прогноза виброооопаеннх зон.

4. Вход подготовительной выработки в внбросоопасную зону фиксируется в случае, если средняя амплитуда высокочастотной составляющей спектра акустического сигнала достигнет или превысит 3,1 хЮ' у.е., а низкочастотной - окажется равной или, менее 5,1x10* у.е., для условий пласта Ау"ПраоковиевекиП", что является новым критерием оценки, пнбросоопас.ности и дает возможность вдвое повысить надежность прогнозирования. Это позволило разработать алгоритм автоматизированного прогноза выбросоонаоности и фиксировать не только вход забоя выработки в выброеоопасную зону, но и выход из нее по обратному изменению амплитуд до фоновых значений.

Достоверность научных положений подтверждается:

- увеличенном .надежности оценки выбросоопасности, получаемой с помощью усовершенствованного способа прогноза по спектральным характеристикам акустического сигнала (в два раза.по сравнению с действующим) при проведении подготовительных выработок буровзрывным способом по особо выбросоопасному пласту. ^ ."Прасковиевский";

. - значительным, объёмом шахтных экспериментов (более 400' проходческих циклов при общем подвиганни выработок свыше 560 м) и статистических данных ti выбросах угля и газа, имевших место при взрывных работах в подготовительных выработках шахт Донецкого угольного бассейна (более 2000 случаев) за период с 1970 по 1991 г.

Научная новизна работы заключается:

» установлении физической'сущности изменений спектральных характеристик акустического сигнала, заключающейся в том, что спектр такого сигнала определяется геологическим строением и физико-механическими свойствами пород, слагающих призабойную часть горного массива (наличием и местоположением ослабленных межолоевых контактов), а изменения снектр.ч отражают динамику со напряженно-деформированного

О.ОСТОЯНИЯ; ' . •

. в определении зависимостей между средними амплитудами высоко-и низкочастотной составляющих спектра акустического сигнала, возникающего при воздействии на породную часть забоя подготовительной выработки, и величиной зоны разгрузки, что позволяет оценивать выбро-соопасность цризабойпой части угольного пласта но динамике амплитуд каждой из указанных составляющих;

в установлении характера затухания мощности акустического сигнала относительно мощности внешних помех при увеличении расстояния между источником и точкой регистрации сигнала,■что позволяет определить оптимальное удаление сейсмоприемника от забоя выработки при ведении прогноза выбросоопасности.

Практическая ценность работы:

г усовершенствован способ текущего прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала, что позволяет повысить безопасность проведения подготовительных выработок за счет увеличения надежности прогнозной оценки, автоматизации прогнозирования» исключения необходимости внедрения в потенциально выбросоопасный угольный массив, автоматического контроля качества регистрации акустического'сигнала и включения в забое постороннего технологического оборудования;

- разработаны рекомендации но определению безопасной дистанции и режимов взрывных работ в зависимости от; результатов .прогноза выбросоопасности по усовершенствованному способу, позволяющие увеличить безопаенреть трудаи сократить непроизводительные затраты на производство сотрясательного взрывания в пределах выявленных невыб-росоопасных зон.

- усовершенствованный способ прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала рекомендован Центральной комиссией по борьбе с выбросами угля, породу и газа по Дднбассу к промышленным испытаниям в шахтах Донецкого бассейна, протокол N 85 ОТ 16.12.92 Г.; ,

- основные положения усовершенствованного способа прогноза '. выбросоопасности. внедрены в шахте им. Румянцева ПО "Артемуголь" при

оценке газодинамического состояния призабойной части угольного пласта в откаточном штрека участка N 6(541 гориаоита Я70 м;

- основное положения усонершснетвовашюго способа прогноза внбросоопасности используются' МакНИИ при проведении научно-исследо-ватольскИх работ, в том число по созданию автоматизированного метода определения величины зоны разгрузки призабойноА части угольного пласта по спектральным характеристикам акустического сигнала;

- рекомендации но определению безопасной дистанции и режимом взрывных работ использопаны при составлении "Инструкции по применению сотрясательного взрывания л угольных шахтах Украины", утвержденной Госуглепромом и Госнадзорохраитруда Украины.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и были одобрены на республиканской конференции молодых ученых "Проблемы совершенствования безопасности Горных работ на угольных шахтах" (июнь 1991 г, г.Донецк), И гакоЛс-семинаре молодых ученых "Теория и практика комплексного освоони-Я месторождении полезных ископаемых и обогащения минерального сырья" (сентябрь 1991 г, г. Алма-Ата), на заседании Центральной .комиссии но борьбе с выбросами угля, породы и газа но Донецкому бассейну (декабрь 1392 г, г. Донецк), семинаре 'Разработка и применение геофизических методов контроля состояния шбросоопасного массива" <ма(1 1Я9.Ч г,-МакНИИ,' г.Макеевка), на раеши->еином заседании ¡<афодры "Охраны труда и окружающей среды" ДонГТУ протокол N 1 от 2П января 1994 г, г.Донецк), на заседании секции по гольноП промышленности Научно-тохничеокого совета Госгортехнадзора 'оссии (протокол N 1 от 21 марта 19Я-1 Г, г. Москва).

.Цуб-'ЦШШШЦ• Результаты исследований изложены в шести статьях.

Об1.ом_ работы.. Диссертация состоит из введения, четырех раздвои, ааключелия, списка литературы и приложений. Диссертационная ра-ога изложена' на 112 страницах машинописного текста, содержит 22 ри-унка, 15 таблиц и 3 приложения.

• ' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛПОТИ

II настоящее время в подготовительных выработках шахт Донбасса шболсе широко применяется два способа текущего прогноза выбросоо-юности: но начальной скорости гаповнделоння иу шпуров и по акусти-ской амноспи горного' массива I сгПсмппрогиря 1 •

Анализ их сущности и опыта применении показал, что эти способы обладают рядом недостатков, снижающих надежность прогнозной оценки, и не исключат возможность субъективного влияния со сторони исполнителей на результаты прогнозирования. В результате имеют место систематические, нарушения технологии и методики прогнозирования.

Выполненный анализ позволил установить, что особенно часто такие нарушения допускаются при проведении наработок но угрожаемым шахтопластам. Так н среднем в течение года только и шахтах Донецкой области работниками Гоонадзорохрантруда регистрируется около 2,0 тыс. нарушений технологии и методики прогноза выбросоопасности, из которых около 1 ох имеет место в выработках, проводимых по угрожаемым пластам.

В настоящее время в шахтах Донбасса внедряется, а в шахтах России проходит промышленные испытания новый нормативный способ текущего прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) акустического сигнала (дален прогноз по АЧХ), разработанный Днепропетровским горным институтом (ДГ11) совместно с ИГД им. А.А.Скочинекого.

В основе этого способа 'лежит анализ акустического сигнала, возникающего в горном массиве при работе в забое выработки машин и механизмов. Прогноз осуществляется по величине отношения (К) амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра сигнала. Если величина этого отношения достигнет или превысит 3, то ситуация в забое выработки оценивается как опасная. Способ реализован с помощью аппаратуры связи ЗУД и специальной аппаратуры АК-1.

По данным Днепропетровского горного института на сегодняшний день прогноз по АЧХ позволил предсказать более 70' выбросов угля и газа при отсутствии ошибок первого рода (выброс при прогнозе "неопасно"). Его надежность подтверждается и результатами сравнительной оценки рсновных способов прогноза,"произведенной при проведении подготовительной выработки по'особо выбросоопасному пласту ''Прасковиев-ский" на шахте "Заперевальная-2" ПО "Донецкуголь". ,

Обобщение и_анализ результатов сравнительной оценки способоЕ прогноза позволили установить, что ошибки первого рода были допунют только сейсмопрогнозом. Способы прогноза по начальной скорости газовыделения из шпуров и по АЧХ "дали" разное количество ошибок второг< рода (отсутствие выброса при прогнозе "опасно"). Наименьшее коли-

честно таких ошибок приходится на способ прогноза по ЛЧХ. Выполненная с помощью F-распределения оценка надежности сравнивавшихся способов прогноза показало, что на участке наблюдений она была наиболее высокой у прогнозе! но ЛЧХ и составила. 68,9 х, и то нремя, кок для способа прогноза по начальный скорости газовнделения она составила 50,7%,

Вместе с том выполненный анализ позволил выявить ряд недостатков этого способа, в том число:

1. Несоответствие наблюдаемых На практике особенностей изменения величины отношения исходной посылки, согласно которой приближение забоя выработки к мосту выброса должно сопровождаться ростом амплитуды высоких частот и но уменьшением н низкочастотной час.ти спектра, в результате чего должно происходить увеличение коэффициента К- В действительности при приближении.забоя к мосту выброса в пределах выявленной выбросоопасной зоны, в нескольких проходческих циклах, как правило, наблюдается уменьшение величины этого коэффициента до "неопасных" 'значений. '

2. Неоднозначность при прогнозировании вибросоопасности только по величине отношения К, обусловленная возможностью увеличения значений К до ' "опасных" за счет изменения амплитуды одной из составляющих, в то время как об-опасности выброса свидетельствует одновременное, 'согласно исходной посылке, изменение их амплитуд: для высоких частот - увслимснио,' для низких - уменьшение.

3. Недостаточная .обоснованность критерия выхода забоя из выбросоопасной зоны. Выход подготовительной выработки.из отой зоны фиксируется после получения первого прогноза "неопасно" и подвигания забоя » трех проходческих, циклах зоны запаса, п каждом из которых должны отсутствовать "опасные" значения коэффициента К. .

4.. Отсутствие автоматического контроля качества регистрации акустического сигнала и рекомендаций по установке геофона.

В настоящее время для всех случаев применения сотрясательного взрывания,' независимо от реальной вибросоопасности призабойной части угольного пласта, требования Правил безопасности остаются одними и томи же, а безопасность работ достигается путем исключения возможности травмирования людей при внбррое любой интенсивности.

Поскольку проявления выбросооипености носят локальный характер, выполнение требований .Правил безопасности сопряжено со значи-

тельными и не всегда обоснованными экономическими затратами на сотрясательное взрывание. Это приводит к снижению темпов проведения выработок и технико-экономических показателей ,шахт. Вместе с тем такое положение является одной из причин нарушений требований Правил безопасности со стороны работников шахт.

Анализ травматизма показал, что за период с 1970 года в Донбассе при производстве взрывных работ произошло 10 выбросов угля и газа, которые сопровождались смертельным травмированием 28 человек. В 1оох случаев травматизм был допущен в результате грубых нарушений правил производства взрывных работ, когда взрывание выполнялось с недопустимо близкого расстояния от забоя выработки без вывода людей в безопасное место,

В то же время за рубежом применяются другие параметры сотрясательного взрывания, обеспечивающие безопасность. Например, в Венгрии безопасные расстояния приняты меньше, чем на шахтах Донбасса, и определяются дифференцированно с учетом реальной опасности выброса и опыта ведения взрывных работ. Практикуется отмена сотрясательного взрывания на выбросоопасных пластах в пределах установленных текущим прогнозом невыбросоопасных зон.

На основании изложенного в настоящей" работе решались следующие задачи:

- исследовать природу связи между выбросоопасностью и изменениями спектральных характеристик акустического сигнала;

- усовершенствовать критерии и методику оценки выбросоопас-ности с учетом динамики амплитуд высоко- и низкочастотной составляющих спектра акустического сигнала, каждой в отдельности;

- определить оптимальные параметры установки сейсмоприемн'ика относительно забоя подготовительной выработки и разработать критерии и методику оценки качества регистрации акустического сигнала при выполнении прогнозирования выбросоопасности;

- разработать рекомендации по определению безопасной дистанции и режимов взрывных работ в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях с учетом результатов прогноза выброооопас-ности. ,

С целью уточнения представлений о природе связи спектральных характеристик с выбросоопасностью были выполнены исследования влияния геологического строения горного массива и его напряженно-дефор-

мированного состояния на спектр акустического сигнала. При этом учитывалось, что проведение горной выработки приводит к образованию впереди и вокруг нее области неупругих деформаций. Известно, что перед выбросом происходит значительное уменьшение величины отой области. Ее образование тесно связано с деформациями вмещающих пород, происходящими в первую очередь в виде последовательного отделения породйых слоев, друг от друга по плоскостям ослабленных межслоевых контактов.

По аналогий с механикой хрупкого разрушения межолоеиые контакты, по которым .произошел разрыв касательных, к плоскости напластования, смещений, могут быть названы дислокациями.

С учетом изложенного в 7-м конвейерном штреке пласта ^ шахты им. А.Ф.Заоядько ПО "Доно1|куголь" были выполнены исследования особенностей акустического сигнала, возникающего в горном масоино , при ударной воздействии на него. Они показали, что отклик массива на ударное воздействие является сложным затухающим колебательным процессом, который может иметь место только как совокупность отдельных гармонических колебаний, происходящих в соответствующих колебательных системах. Следовательно, спектр акустического сигнала определяется наличием таких систем в горном массиве.

Исследованиями Санкт-Пнторбургского горного института установлено,. что источником гармонических колебаний является резонанс породных слоев, ограниченных с одной стороны дислокацией, с другой -поверхностью обнажения. При этом собственная частота колебаний каждого такого слоя обратно пропорциональна его мощности. Дислокации проявляются в спектре акустического сигнала в виде спектральных максимумов, называемых резонансными частотами.

Для проверки :>тих представлений в шахтах ПО "Артемуголь" были выполнены эксперименты,.которые заключались в регистрации акустического сигнала на магнитофон с помощью, геофона, закрепленного в непосредственном контакте о породами кровли (почвы) подготовительной ды-работки. Источником сигнала служили удары но породному массиву. Последующая обработка магнитных записей производилась на ПЭВМ по специально разработанной программе.

Исследования показали, что спектр акустического сигнала имеет пляжную форму с несколькими спектральными максимумами. Согласно изложенному им соответствуют дислокации, расположенные на определенных

расстояния* (0,78 - 7,67 м) от контура выработки. Бурений контрольных скважин и анализ геологических данных подтвердили (с точностью в среднем до 5 см) наличие мсжелоевых контактов на ятих расстояниях.

Для изучения влияния напряженно-деформированного состояния иризабойной части угольного пласта на спектральные характеристики акустического сигнала в 7-м конвейерном штреке шахты им. А.Ф.Заоядь-ко и в разрезном ходке шахты им. В0-летия Советской Украины ПО "До-цецкуголь" были выполнены •.жсиернменти, которые заключались в искусственном увеличении области неупругих деформаций.с помощью гидрорыхления. Регистрация акустического сигнала осуществлялась до и после гидрорыхления с. помощью геофона, установленного на забое выработки. Сигнал возбуждался ударами по породной части забоя. Эффективность гидроршления контролировалась по динамике газоныделения из шпуров, давлению нагнетаемой воды и ее расходу,

Анализ полученных спектров акустического сигнала показал, что увеличение зоны неупругих деформаций впереди забоя выработки приводит к дрейфу максимума спектра в область Низких частот с 380 - 950 до 240 Гц, росту амплитуд в низкочастотной части спектра (диапазон до 150 Гц) в 1,8 - 2,5 раза и их уменьшена в высокочастотной части (диапазон 950 - 6000 Гц) в 1,7 - 2,1 раза,

Таким образом установлено; что спектр акустического сигнала определяется не полноводными свойствами угольного пласта, как считалось ранее, а геологическим строением горного массива и его напряженно-деформированным состоянием, что. раскрывает. природу информативности спектральных характеристик для прогноза выбросоопасности.

С учетом изложенного дальнейшие исследования били направлены на экспериментальное изучение особенностей, спектра акустического сигнала бурения - основной технологической операции при буровзрывном проведении подготовительной выработки.

Методикой экспериментов предусматривалась регистрация акустического сигнала на магнитную ленту в соответствии с действующим способом прогноза по АЧХ: геофон устанавливался в шпуре, нробуронном в угольном пласте, на расстоянии около 10 м от забоя выработки и переносился через каждые 20-30 м ео подвигания. Для передачи сигнала на поверхность применялась аппаратура ЗУА. Анализ акустического сигнала производился на ПЭВМ по специально разработанной программе. Эксперименты выполнялись в подготовительных выработках шахты "Яапереналь-

ная-2" ПО "Донецкуголь", которые проводились по угольному пласту Ад "Прасковпевский".

И результате выполненных исследований установлено, что вне' зависимости от способа возбуждения акустического сигнала (дурение по углю или по породе) в ого спектре присутствуют одни и те же резонансные частоты (амплитудные максимумы). При этом бурение по породе приводит к возпикшшению акустического сигнала, который характеризуется мощностью в 2,5-3 раза более высокой, чем мощность сигнала, возникающего, при бурении по углю.

Полученные результаты показали, что прогноз выброеоопасности может осуществляться на основании анализа акустического сигнала, возникающего при воздействии на породную часть забоя подготовительной выработки. Таким образом устраняется необходимость внедрения в потенциально выбросоопасный угольный массив, обеспечивается безопасность выполнения прогноза и более надежная регистрация информативного акустического сигнала. С учетом этого вывода дальнейшие исследования были направлены на изучение спектральных характеристик акустп-»

ческого сигнала, вызываемого бурением шпуров по породной части забоя выработки. «

ГЖсперныонты, выполненные в условиях пласта А^ "Смоляниновс-кий" шахты N 6 шахтоуправления "Красная Звезда" ПО "Донецкуголь", позволили установить высокую сходимость средних спектров акустического сигнала независимо от местоположения шпуров в забое (в пределах проходческого цикла коэффициент вариации не превышал 15%). Аналогичные результаты получены в подготовительных выработках шахты "Запере-вальная-2". .

Таким образом, оценка внброооопасноети может быть получена путем анализа среднего спектра акустического сигнала, зарегистрированного за вес), процесс бурения,, что позволяет увеличить надежность прогноза за счет исключения влияния случайных факторов.

В подготовите.'!!.пых выработках шахты "Запоропал|,ная-2" были проведены окснеримептм по изучению связи спектральных характеристик акустического ецгцала бурения о н'апрмжепно-деформиронанннм состоянием нризабойпои части угольного пласта. Их методика предусматривала определение величины зоны р пгрузки но динамике газоииделепии из шпуров И регистрации лк) етического сигнала' бурении шнуром н породно!) части за бол. Ныно.пичшые не. л ■ донапи л почни.шли \ отан.дчгп. зоииси-.

мость между величиной зоны разгрузки и средней амплитудой низко-(Дн) И высокочастотной (Ав) составляющих спектра:

0^8 4 o,UAu

КР "е • . (1 )

при корреляционном отношении Т = о,75 и тесноте связи F - 9,32 > 3, где êp - величина зоны разгрузки, м;

А„ - средняя амплитуда низкочастотной составляющей в диапазоне ДО 150 Гц, упв.чи1 ;

0 0,-fsAb

Кр=е . (2)

при ^ = 0,73йГ=8,42>3, ■ где - средняя амплитуда высокочастотной составляющей в диапазоне от 600 до 6000 Гц, у.е.Ю2.

При ретроспективном анализе результатов непрерывных наблюдений за изменениями Ин и^в> полученных при проведении 57-й бортовой выработки шахты "Заперевальная-2", установлено наличие йыраженной аномалии на участке Выработки, местоположение которой приурочено к зоне влияния выработанного пространства 3-й восточной лавы пласта "Ливенский".

Таким образом, выполненные исследования показали, что спектр акустического сигнала, возникающего в горном Массиве при бурении шпуров но породной части забоя подготовительной выработки, отражает напряженно-деформированное состояние призабойной части угольного пласта и оценка выбросоопасности может производиться на основании анализа изменений Каждой из рассматривавшихся составляющих но мере подвигания выработки.

Исследование особенностей изменения спектральных характеристик акустического сигнала в выбросоопасных зонах выполнялось в трех подготовительных выработках шахты "Заперевальная-2", проводившихся по особо выбросоопасному пласту Ду "Прасковиевский". Методикой экспериментов предусматривалось выделение низко- и высокочастотной составляющих соответственно в диапазоне до 150 Гц и от G00 до оооо Гц. Выработки проводились буровзрывным способом в рожимо сотрясательного взрывания. За период наблюдений было зарегистрировано 10 выбросов

интенсивностью от 10 до 850 т. Общее подвнгание забоя составило более 560 м при родвигании за одно взрывание- 1,4 м.

Исследования позволили, установить, что увеличение средней амплитуды высокочастотной составляющей спектра и ее снижение в области низких частот имеет место, как правило, за 2-3 проходческих никла до выброса угля и газа. Установлено, что дальнейшее приближение забоя к месту выброса сопровождается уменьшением амплитуд в области высоких частот при практически неизменной величине амплитуды низкочастотной составляющей. Как правило, после выброса наблюдается рост амплитуд на низких частотах, а на высоких - их дальнейшее уменьшение до фоновых значений.

Указанные особенности изменения спектральных характеристик учитывались при определении критериев прогноза. Критерии устанавливались для условий особо внбросоопасного пласта "Прасковиевский", на котором, как показывает анализ, ежегодно происходит до 40% выбросов от их общего количества но' Донбассу.

Определение критериев состояло в расчете с-вероятностью 0,95 по 22-м случаем выбросов верхней доверительной границы для низкочастотной составляющей (Ан), и нижней доверительной границы - для высокочастотной (Afc).' R результате установлено, что прогноз "опасно" должен выдаваться в случае, если величина Ah окажется менее или равной 5 ,.1x1 о2 у.е. при условии, что амплитуда Ац достигнет или превысит 3,1х102 у.е. Факт выхода забоя выработки из вибросоопасной зоны устанавливается по обратному изменению обоих параметров до их "неопасных" значений. ■. •

Для оценки надежности прогноза выбросоопасности по установленным критериям выполнялось сопоставление динамики спектральных характеристик (.- максимальной величиной коэффициента К (по данным аппаратуры ЛК-1) в трех подготовительных выработках шахты "Запереваль-ая-2", проводимых по пласту "Прасковиевский". Сопоставление показало, что применение установленных критериев сокращает количество зшибок второго рода по сравнению о действующим способом прогноза (о среднем н <1,7 раза) и повышает надежность прогнозирования. ■

Экспериментальные работы, выполненные в подготовительны* наработках шахты "Занеревальиая-'г", позволили установить, что при удал-о-1ии забои от места установки Геофона сближение мощностей полезного ¡ИТ'нала и помехи описываете:! зависимостью:-

" 4

6= • . • (3)

при корреляционном отношении % = 0,97 и тесноте связи Г = 119,08Й>3, где 0 - величина отношения мощностей сигнала и помехи, у.е.; ¿^ - удаление геофона от забоя, м.

На основании этого, а также с учетом частотного характера затухания акустических колебаний были определены оптимальные параметры, места размещения геофона для прогноза выбросоопасности в условиях особо выбросоопасного пласта ^ "Прасковиевский". Установлено, что геофон должен размещаться на участке выработки от 8,3 до 40 м по отношению к забою.

Полученные результаты позволили предложить решение по автоматическому контролю качества регистрации путем непрерывных наблюдений за динамикой отношения мощностей полезного сигнала и помехи при проведении подготовительной выработки. В случае, когда величина этого отношения оказывается менее 1,5 у.е., должны быть приняты меры, по улучшению регистрации акустического сигнала. При этом помехами считаются все шумы, возникновение которых не связано с непосредственным воздействием на забой.

Результаты экспериментов показали, что во время ведения прогноза в выработке должно быть выключено все технологическое оборудование, работа которого не связана с бурением шпуров и приводит к возникновению постороннего акустического сигнала, снижающего надежность прогнозной опенки.

На основании изложенного был разработан алгоритм цифровой обработки акустического сигнала и прогноза выбросоопасности на- ПЭВМ, который составляет основу усовершенствованного способа прогноза пцб-росоопасности. Алгоритм обеспечивает: обработку и анализ сигнала в реальном времени, выдачу результатов прогноза сразу поело окончания процесса бурения шпуров, оценку тенденции изменения ситуации в забое выработки на основании тренд-анализа значений, составляющих спектра за предшествующий период проведения выработки,- автоматический контроль включения постороннего технологического оборудования, автоматический контроль качества регистрации акустического сигнала с забла-

повременной выдачей рекомендаций оператору о необходимости принятия мер по улучшению качества регистрации. Разработанный алгоритм позволяет полностью автоматизировать процесс прогнозирования, повысить надежность прогнозной оценки за счет применения уточненных критериев и исключения возможности субъективного влияния исполнителей на результаты прогноза.

В качестве базового вычислительного комплекса принята персональная ЭВМ класса РС/дг, оснащенная аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и стандартным набором периферийного оборудования, как наиболее доступная по стоимости и обладающая достаточным быстродействием.

Все операции, связанные с ведением прогноза выбросоопасности, могут осуществляться силами шахтной службы прогноза. Для этого достаточно минимальных навыков работы операторов с персональной вычислительной машиной. Разработанное программное обеспечение в совокупности ' е техническими средствами базового комплекса позволяют, одновременно вести прогноз.в восьми подготовительных выработках. Во время « '

выполнения технологических операций, не связанных с ведением прогноза, ПЭВМ может привлекаться для решения других задач.

С целью повышения безопасности проведения подготовительных выработок в условиях возможного возннкновения выброса угля и газа были разработаны рекомендации по определению безопасной дистанции и режимов взрывных работ на основании результатов прогноза выбросоопасности по усовершенствованному • способу с учетом конкретных горно-геологических и горно-технических условий проведения выработки.

Анализ данных о выбросах угля и газа, зарегистрированных при сотрясательном взрывании в подготовительных выработках Донбасса, позволил установить, что максимально возможная интенсивность выброса •может быть определена с учетом степени метаморфизма угля по соотношению: ' .

Р -> 0

4 4)

где Р *• вероятность;

■ р - математическое ожидание; интенсивности выброса на пласт?

I -й группы метаморфизма угля (в соответствии с эталонной шкалой, разработанной ПГО "Донбассгеология!'), т; 0пае~ максимально возможная интенсивность выброса на пласте ¿-й группы метаморфизма угля, т. С вероятностью 0,95 установлены следующие значения максимально возможной интенсивности выброса для пластов, сложенных углями различной степени метаморфизма, определяемой выходом летучих.веществ

V*: .

9% - 2583 Т, 9,1%«5 У^ 5 13% - 3284 Т, 13,1Х< V <18% - 3635 Т, 18,1Х$: 25% - 3306 Т, 26,1%^ О. 29« - 2845 т,

М^ > 29* - 2074 Т.

Изложенное позволяет определять величину максимально возможной дальности отброса угля (в конкретных условиях проведения подготовительной выработки следующим образом: ,

I - , м, (5)

. ^ Д 74*

где $ -"коэффициент заполнения выработки выброшенным углем, ед.; У - удельный вес .насыпного угля, т/м; . ДчСк " минимальная плошадь поперечного сечения выработки, м. Анализ случаев травматизма, от выбросов, происшедших при взрывных работах в подготовительных выработках Донбасса, а также применение методов теории вероятности и математической-статистики позволили установить величину запаса безопасности, которая обеспечивает вероятность травмирования человека опасными факторами выброса (по аналогии с ГОСТ 12.1.010-76, регламентирующим общие требования к рабочему месту по взрывобезопасности, и ГОСТ 12.1.00-1-31, определяю-.

щим общие требования к пожаробезопасности рабочего места) не более -6

1x10 в год. Установлено, что эта величина составляет-86 м.

Таким образом, безопасная дистанция производства взрывных работ ) определяется, равенством:

С учетом изложенного при проведении подготовительных выработок по угрожаемым иахтопластам в выявленных текущим прогнозом выбро-соопаснчх зонах взрывные работы предлагается производить в сотряс;»^

- 19 .тельном режиме с" сокращением дистанции взрывания до величины • В пределах установленных невыбросоопасных зон взрывные работы могут выполняться в режиме, предусмотренном для шахт, ; опасных по газу и пыли.

При проведении подготовительных выработок по выбросоопасным шахтопласгам в Пределах выявленных прогнозом выбросоопасных участков Iтребования Правил безопасности к сотрясательному взрыванию сохраняются в полном объеме, а в невнбросоопасных зонах предлагается сократить дистанцию сотрясательного взрывания до величины ¿.¿р , что обеспечивает безопасность даже в случае выброса.

Применение разработанных рекомендаций во всех случаях не должно противоречить требованиям Правил безопасности для шахт, опасных по газу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований позволил:

1. Установить, что изменение спектральных характеристик акустического сигнала, распространяющегося в горном массиве' при воздействии на забой выработки, определяется геологическим строением и динамикой напряженно-г деформированного состояния горного . массива. В отличие от существовавших ранее, такое представление объясняет природу и особенности изменений спектра акустического'сигнала,' является научной основ'ой совершенствования способа, прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала.

2. Определить, что осуществление- прогноза выбросоопасности возможно по спектру акустического сигнала, возникающего в горном массиве при воздействии на породну» часть забоя подготовительной выработки, что устраняет необходимость внедрения в потенциально выбро-соопасный угольный массив, повышает безопасность прогноза и .увеличивает надежность прогнозной оценки за счет более качественной регистрации полезного акустического сиг.нала.

3. Получить критерии оценки выбросоопасности для подготовительных выработок ;■ проводимых по особо выбросоопасному пласту Д^ "Прасковпепский", позволяющие объективно фиксировать выход забоя из внбросооПасиой зоны и заключающиеся в следующем.

Ситуация оценивается как опасная при одновременном выполнении

двух условий: 1) величина средней амплитуды низкочастотной составляющей спектра равна или менее Б,1x102 у.е.; 2) средняя амплитуда высокочастотной составляющей равна или более 3,1х102 у.е. Выход выработки из выбросоопасной .зоны Фиксируется по изменению амплитуд обеих составляющих до "неопасных" значений.

Оценка надежности указанных критериев показала, что их применение позволило на экспериментальном участке сократить количество ошибок второго рода в 4,7 раза и вдвое увеличить надежность прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам.

4. Определить параметры места установки сейсмоприемника в подготовительных выработках, проводимых по особо выбросоопасному пласту ^"Прасковпевский", заключающиеся в том, что при прогнозе выбросоопасности геофон должен размещаться на удалении 8,3 - 40 м от забоя. Это обеспечивает оптимальное качество регистрации акустического сигнала и информативность спектральных характеристик.

5. Разработать алгоритм спектральной обработки акустического сигнала бурения и анализа его амплитудно-частотных характеристик на ПЭВМ, составляющий основу усовершенствованного способа прогноза выбросоопасности, который обеспечивает большую но сравнению с действующим способом прогноза надежность, объективность и автоматизацию прогнозирования.

6. Разработать рекомендации по определению безопасной дистанции и режимов взрывных работ с учетом результатов прогноза выбросоопасности, степени метаморфизма угля, площади поперечного сечения подготовительной выработки, позволяющие повысить безопасность и сократить непроизводительные затраты.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бобров'H.A. Об оптимизации режимов ведения сотрясательного взрывания в подготовительных выработках.//Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных тахтах. Тр./МакШШ - Макеевка-Донбасс, 1993, - 0.31-38.

2. Бобров H.A. Перспективы повышения надежности прогнозирования выбросоопасности на основе действующих способов текущего прогноза. //Безопасность труда в промышленности, 1993 r.-NS).- 0.1-1-16.

-3. Роброн Я.А. Повышение надежности прогнозирования выбросов угля п

газа в подготовительных выработках по спектральным характеристикам акустического сигнала.//Рекомендации по повышению надежности оценки выбросоопасности призабойной части угольного пласта. Тр. /МакНИИ. - Макеевка-Донбасс, 1993'.- С.18-42. Бобров H.A., Колчин Г.П., Сапунов М.С. Об информативности акустического сигнала при текущем прогнозе выбросоопасности угольного пласта в подготовительной выработке.//Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Тр./МакНИИ.- Макеевка-Донбасс, 1992. - С.79-90. Бобров H.A., Сапунов М.С. О совершенствовании прогноза выбросоопасности по амплитудно-частотным характеристикам акустического сигнала.// Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Тр./МакИИИ. - Макеевка-Донбасс, 1991. - С.180-167.

Бобров И.А,, Сапунов М.С. Об информативности акустического сигнала при оценке выбросоопасности призабойной части угольного пласта в подготовительной выработке.//Совершенствование Технологии строительства горных предприятий.-Донецк:ЦНТБ, 1992.- С.152-157.

Ротапринт МакНИИ. Тираж 120 экз. Закап № 106,

_'_■ 03 .CS .1994 г._