WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Сейсмоакустическое волновое поле в углепородном массиве может быть описано системой линейных дифференциальных уравнений предложенной и развитой в работах Био, Толстого:

волны P, SV и Релея

(1)

волны SH и Лява

(2)

где u,, w – смещения по x,y и z- координатам;

a=V2p – скорость Р- волн в квадрате;

b= V2p –V2s – разность квадратов скоростей P и S волн;

c= V2s – скорость S – волн в квадрате;

g – ускорений свободного падения;

– коэффициент затухания, передающий эффекты диссипации и рассеяния колебаний;

индексы tt, t, xz, x и z при переменных и коэффициентах уравнений (1) и (2) обозначают тип и порядок частной производной.

Для получения численного решения уравнений (1) и (2) в работе использовалась явная конечно-разностная трехслойная схема вычисления функций смещений u, v и w по соответствующим координатам в плоской постановке.

Конечно-разностное разложение дифференциальных уравнений (1) и (2) представляется в виде:

для дифференциальных уравнений волн SH и Лява:

для дифференциальных уравнений волн Р, SV и Релея:

где и h – шаг дискретизации модели по времени и координатам плоскости XOZ;

t – текущее время развития колебательного процесса;

i=1,2,…,N; j=1,2,…M; N=[Xгр/h], M=[Zгр/h];

Xгр,Zгр- границы модели по х и z – координатам.

При моделировании акусто – вибрационных процессов вокруг горной выработки вертикальный геологический разрез зоны горных работ представляется в виде схемы, изображенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема модели акусто – вибрационных процессов вокруг горной выработки

Схема модели (рисунок 1) имеет реальные геометрические размеры, физико-механические и сейсмоакустические свойства горных пород, принятые на основе многочисленных экспериментальных исследований.

Предполагается, что горная выработка закреплена крепью имеющей определенную несущую способность и объединена в единую колебательную систему с массивом горных пород. Вокруг горной выработки присутствует зона трещиноватости, возникающая при частичной разгрузке горных пород в процессе податливого оседания крепи. Процесс приближения и входа горной выработки в аномально напряженную зону моделируется в виде серии отдельных расчетов для различного расположения последней по отношению к области ведения горных работ. Источником колебаний является горное оборудование или импульсы от буровзрывных работ

В целях исследования механизмов колебательных процессов в системе «горная выработка – угольный пласт – аномальная зона – геомеханическое (разрушающее) воздействие» в работе проведено моделирование и анализ применительно к конкретным горно – геологическим условиям.

Для моделирования и анализа взята геологическая ситуация залегания угольного пласта h8 шахты Соц.Донбасс. Типы пород и сейсмоакустические свойства анализируемой модели проведены в таблице 1.

Таблица 1.

Тип пород

H, м

VS, м/с

VP, м/с

,

1/м

V+S, м/с

V+P, м/с

+,

1/м

Песчаник

2100

3900

0,005

2290

4250

0,0013

Уголь

0,4

1100

2100

0,0162

1430

2730

0,065

Углистый сланец

0,8

1500

2800

0,009

1770

3300

0,003

Уголь

1,2

1100

2100

0,0162

1430

2730

0,065

Песчаник

2100

3900

0,005

2290

4250

0,0013

В таблице 1 приведены сейсмоакустические свойства в зоне нормального залегания угольного пласта (VS, VP – скорости S и P волн, - затухание колебаний), зоне повышенного горного давления (ПГД) (V+S, V+P, +). На рисунке 2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) колебательных процессов зарегистрированных для различного расположения аномальной зоны.

Рисунок 2. АЧХ колебательных процессов для горно-геологи-ческих условий ш. Соц.Донбасс.

Из рисунка 2 видно, что по мере углубления горных работ в зону ПГД высокочастотная составляющая АЧХ растает быстрее низкочастотной, в некоторый момент опережает ее и разделяется на две

группы колебаний в диапазонах 550-850 Гц и 850-1100 Гц. Рост амплитуды колебательных процессов по мере углубления горных работ в зону ПГД для различных участков АЧХ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение максимума модуля амплитуды при углубления горных работ в зону ПГД, ш. Соц. Донбасс.

Виден более интенсивный рост амплитуды высокочастотной составляющей, как первой группы, так и второй по отношению к низкочастотной. Максимальное соотношение А1в /Ан=7,5, А2в /Ан=2,8 и изменяется в интервалах Ав = 0,011,0 у.е., А1в=0,017,5 у.е, А2в= 0,012,7 у.е.

При моделировании процесса вхождения горной выработки в зону ПГД угольного пласта на ш. А.А.Скочинского, ПО «Донецкуголь» получены результаты представленные на рисунке 4.

Рисунок 4. АЧХ колебательных процессов для горно-геологических условий ш. им. А.А. Сочинского

Качественные закономерности перераспределения между отдельными областями зарегистрированного спектра при различном расположении зоны ПГД имеют тенденции определенные в предыдущем примере, однако количественные показатели отличаются существенно. Спектральный состав отдельных групп колебаний (явно прослеживаются три группы с частотой максимума 150, 450 и 700 Гц) имеет более низкочастотный вид. Изначально высокочастотная составляющая преобладает над низкочастотной, но рост ее по мере углубления горных работ в зону ПГД более интенсивный (рисунок 5).

И если сравнить интенсивность роста высокочастотной составляющей в приведенных примерах на расстоянии -10 м (рисунки 3 и 5), то она больше для условий ш. им. А.А. Скочинского. Проведенные исследования, кроме того, позволили оценить степень влияния горной выработки.

Рисунок 5. Изменение максимума модуля амплитуды при углубления горных работ в зону ПГД, ш. им. А.А. Сочинского.

Горная выработка для колебательного процесса является своеобразным техногенным фильтром, разделяющим амплитудно-частотный спектр на две составляющие – высокочастотную и низкочастотную, что подтверждают экспериментальные исследования, выполненные впервые Мирером.

Известно, что ведение буровзрывных работ в аномально напряженных зонах может инициировать развитие внезапного выброса угля, породы и газа или горного удара.

В качестве примера рассмотрим формирование амплитудно-частотных спектров колебаний углепородного массива при проходческих работах буровзрывным способом на пласте l6 ОАО «Гуковуголь» Восточного Донбасса.

В таблице 2 показаны типы пород и основные физико-механические и акустические свойства угля и вмещающих пород на данном участке.

Таблица 2

Тип пород

H, м

, г/см3

VS, м/с

VP, м/с

, 1/м

Песчаник

8-24

2,67

2633

4687

0,001

Алевролит

0-0,2

2,68

2328

4165

0,003

Уголь

1,2-1,4

1,55

1280

2375

0,01

Алевролит

0,4-0,7

2,68

2428

4265

0,002

Песчаник

10-13

2,67

2709

4687

0,001

Из предварительного анализа данных таблицы можно сказать, что акустические границы между угольным пластом и породами почвы и кровли достаточно резкие. Максимум амплитудно-частотного спектра высоко частотной составляющей может быть рассчитан из следующего условия.

Так как скорость каналовой волны Лява в угольном пласте приблизительно оценивается из соотношения:

Vк=0,9*Vsy=0,9*1280=1152м/с,

где Vк – скорость каналовой волны Лява в угольном пласте, Vsy – скорость поперечной волны в угольном пласте.

Длины волн должны быть равными или кратными мощности волновода h (угольного пласта), т.е. порядка 1,4 м. Исходя из выдвинутых предположений частота максимума амплитудного спектра fmax высоко частотной составляющей должна находиться:

fmax = Vк/ = 1152/1,4 =823 Гц.

На рисунке 6а представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики взрывов при буровзрывной проходке штрека.

На графике №1 частотный состав имеет два ярко выраженных интервала f1=70-200 Гц и f2=580-700 Гц, со своими максимумами, в которых группируется колебательный процесс.

Первый характеризует колебания системы «выработка – вмещающие породы», которая может быть оценена как система с высокой степенью нарушенности вмещающих пород вокруг выработки и слабой связью с крепью, так как

V1=1*f1max=3*180=540 м/с.

Рисунок 6 Амплитудно-частотные характеристики колебаний углепородного массива при буровзрывных работах.

Второй характеризует колебательный процесс в призабойной зоне угольного пласта

V2=2*f2max=1,4*680=952 м/с.

Отличие от оценочных данных свидетельствует о том, что в призабойной зоне угольный пласт частично разрушен, а следовательно имеет пониженные значения скорости распространяющихся колебаний.

Соотношение A2max/A1max=18,2/90,7=0,2 может интерпретироваться как низкая степень опасности развития внезапного выброса угля, породы и газа или горного удара.

По мере продвижения проходческих работ по угольному пласту горные работы входят в опасную зону. Следующая амплитудно-частотная характеристика, представленная на рисунке 6а (график №2), качественно повторяет предыдущую, но в количественных значениях прослеживаются изменения. Абсолютные значения частот максимумов амплитуд и самих амплитуд возрастают. Так A1max = 106 у.е., A2max = 28 у.е., f1max=211 Гц, f2max=850 Гц. Соотношение A2max/A1max=28/106=0,26, т.е. наметилась негативная тенденция.

На рисунке 6а (график №3) показана амплитудно-частотная характеристика в момент, когда горные работы уже вошли в опасную зону. Количественные показатели имеют следующие значения A1max = 393 у.е., A2max = 137 у.е., f1max=198 Гц, f2max=811 Гц, соотношение A2max/A1max=0,34. И если проследить тенденцию, а именно A1max выросла в 3,7 раза, а A2max в 4,9 раза, то получаем незначительное изменение соотношения амплитуд, но достаточно быстрое нарастание абсолютных значений амплитуд и соответственно энергии в выделенных частотных интервалах, что свидетельствует о высокой вероятности развития внезапного выброса угля, породы и газа или горного удара.

На рисунке 6б показана амплитудно-частотная характеристика внезапного выброса угля, породы и газа, зарегистрированного на том же участке горных работ через некоторое время.

Спектр внезапного выброса имеет широкий диапазон от 60 Гц до 800 Гц. Отсутствует разделение на высоко и низко частотную составляющие. Максимум модуля амплитуды почти в 10 раз превышает аналогичный параметр, представленный на рисунке 6а.

На ш. “Первомайская” ОАО «Кузбассуголь» при проходке вентиляционного штрека 370 бис, пласт XXVII были выполнены учеными Кузбасса исследования по оценке выбросоопасности угольного пласта спектрально-акустическим методом при поинтервальном бурении разгрузочных шпуров (аппаратура АК-1).

В таблице 3 представлены породы и основные физико-механические и акустические свойства угля и вмещающих пород на участке исследований.

Таблица 3

Тип пород

H, м

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»