Развитие отечественной сырьевой базы топливно – энергетического комплекса и обеспечение энергетической независимости Украины — важнейшая народно - хозяйственная проблема, от решения которой непосредственно зависит экономическое развитие страны и ее современное промышленное производство.
Решение этой проблемы может быть реализовано путем приоритетного развития угледобывающей отрасли с обеспечением достаточного и стабильного уровня добычи угля (главного энергоносителя в стране) и вовлечение в производство дополнительных нетрадиционных источников энергоресурсов, мощнейшим резервом которых является метан угленосных формаций. Учитывая, что в угледобывающей промышленности, как ни в какой другой отрасли горного производства, рентабельность, эффективность и безопасность труда зависят от горно - геологических условий, достоверный и опережающий прогноз этих условий приобретает важное, первостепенное значение. К настоящему времени проведены значительные объемы геологоразведочных работ на уголь, однако методы прогноза горно-геологических условий отработки угольных пластов, базирующиеся только на данных геологической разведки, не удовлетворяют в достаточной мере требования угольной промышленности к исходной геологической информации [1,2].
Современные угольные шахты интенсивно отрабатывают запасы длинными очистными забоями, которые движутся со скоростью 200-500м/мес. При таких темпах подвигания в окружающем массиве накапливается большая потенциальная энергия деформации, которая склонна высвобождаться в виде динамических эффектов в виде горных ударов и газодинамических явлений, сопровождающихся сейсмическими эффектами техногенной природы. В связи с этим заблаговременный прогноз таких опасных явлений весьма актуален.
На сегодняшний день регистрация техногенной сейсмики осуществляется по такой же методологии, как и при традиционном сейсмическом прогнозе. Обычно регистрируют координаты элементарного участка массива, который связан с инициатором сейсмического импульса. Однако механизм природной сейсмики чаще всего обусловлен активизацией взаимного скольжения берегов ранее существовавшего геологического нарушения. Техногенная сейсмика обычно приурочена к участкам разрушения массива, которое возникает в момент ведения активных горных работ. При этом возникает весьма важная прикладная задача оценки последствий этого разрушения.
Так важнейшее прикладное значение имеет форма проявления динамического горного давления. В результате высвобождения потенциальной энергии деформации в кинетическую может произойти завал подготовительной выработки, примыкающей к действующей лаве, или горный удар с последующим скачкообразным оседанием кровли в самом очистном забое, что приведет к посадке крепи нажестко, или произойдет газодинамическое явление в виде выброса угля и газа и т.д. От правильности и достоверности прогноза динамического появления горного давления зависит эффективность мероприятий по его предотвращению.
Весьма важным является также время ожидания опасного динамического эффекта. Чем раньше эксплуатационники узнают о предстоящем опасном динамическом явлении, тем больше времени на подготовку и реализацию мероприятий.
Наконец важно иметь надежную методику оценки эффективности используемых мероприятий. Только закрыв все поставленные вопросы можно оценивать методику прогноза как надежную и практически эффективную.
Вместе с тем на сегодня нет надежной системы, которая позволяла бы выполнять прогнозы с требуемой достаточной достоверностью. Последнее время получают распространение системы мониторинга техногенной сейсмичности, которые дают возможность оперативно регистрировать координаты и энергию динамических эффектов, возникающих в результате перехода потенциальной энергии горного давления в кинетическую в окрестности движущегося очистного забоя [1-3]. Указанная система обеспечивает возможность получения более широкого спектра данных, характеризующих техногенную сейсмичность поскольку регистрирует не только амплитуду сигнала, но и координаты его источника, спектр сейсмических колебаний, поляризацию и другую полезную информацию, на основании которой можно более детально исследовать сложную динамику сдвижений массива. Однако современным системам мониторинга присущ традиционный недостаток, состоящий в том, что надежный прогноз динамических эффектов пока осуществить не удается [2-3].
Анализ перераспределения местоположения и энергии техногенной сейсмичности свидетельствует об отсутствии ее четкой периодичности и структурированности. Это затрудняет прогноз сейсмичности. Вместе с тем чаще всего техногенная сейсмичность приурочена к действующему очистному забою. Однако выраженная периодичность в техногенной сейсмике отсутствует, что свидетельствует о сложности процесса необратимых динамических сдвижений массива горных пород на большой глубине. При этом проявление геодинамики наблюдается как впереди лавы в зоне динамического опорного давления (рис. 1,а), так и позади нее в зоне активных сдвижений (рис. 1,б). Кроме того наблюдаются периоды затишья, которые вносят существенные искажения в периодичность динамического проявления горного давления, что значительно осложняет его прогноз. Положение и направление подвигания лавы указано полой стрелкой. На отдельных этапах подвигания зарегистрировано затишье, когда выраженные динамические процессы разрушения массива горных пород отсутствуют. Такое затишье связано с переходом процесса сдвижений массива горных пород в стадию плавного оседания, что уже отмечалось при высоких скоростях лавы [4,5]. Иногда сейсмическая активность наблюдается на участках нетронутого массива, которые находятся за пределами влияния очистных работ. Такие удаленные от очистных работ эффекты очевидно связаны с активизацией подвижек в окрестности сместителя малоамплитудного нарушения, которое пока не разведано и не зарегистрировано геологической службой. Последний эффект имеет большое практическое значение, поскольку система сейсмического мониторинга может быть использована как самостоятельный инструмент доразведки нарушенности шахтопласта. Прогноз техногенной сейсмичности является весьма сложной задачей, которая к настоящему моменту не имеет теоретического обоснования. Это объясняется тем, что необходимо осуществить не просто прогноз разрушения, а разрушения, которое сопровождается сильным динамическим эффектом в виде перехода потенциальной энергии деформации в кинетическую, которая представляет опасность для подземных рабочих. На сегодня только для осадочных пород известно более десятка теорий прочности, которые используются для оценки статического разрушения горной породы. Модели динамического разрушения горных пород находятся в стадии становления. Именно этим объясняется сложность прогноза ТСО. На сегодня разработана геомеханическая подсистема прогноза напряженно-деформированного состояния массива вокруг действующего очистного забоя с учетом скорости его подвигания [6]. Эта подсистема построена на платформе математической модели численного решения системы дифференциальных уравнений движения твердого тела совместно с уравнениями связи напряжений и деформаций. При каждом заданном положении лавы система рассчитывает нормальные и касательные компоненты напряжений, эквивалентные напряжения, скорость их изменения, а также скорость деформаций релаксации напряженного состояния массива. В процессе релаксации происходит уменьшение градиента напряженного состояния. По указанным данным вычисляется показатель техногенной сейсмической опасности (ТСО), величина которого пропорциональна уровню эквивалентных напряжений, скорости их изменения и обратно пропорциональна скорости релаксации [7].
Анимация 1. Динамика сейсмики при подвигании лавы с позиции 160м в положение 200м (начальные этапы)
Данная анимация была сделана с помощью программы GIF-animator, состоит из шести кадров, задержка между кадрами 2 секунды.
Анализ сейсмоакустической эмиссии горного массива является одним из нормативных методов прогноза газодинамических явлений (ГДЯ) в угольных шахтах. Этот метод весьма перспективен с точки зрения обеспечения безопасности подземных горных рабочих и поэтому интенсивно совершенствуется. Развитие сейсмоакустического метода прогноза ГДЯ отечественными специалистами ведется в направлении расширения спектра эмиссии и его детального анализа, что позволило повысить достоверность прогноза, а также получить дополнительные данные о динамике расслоений толщи. В практике угольных шахт СНГ основное внимание уделяют измерению и анализу временных последовательностей сейсмоакустических сигналов. В зарубежной практике для расширения информационного диапазона регистрируют не только факт того, что где-то в массиве произошло динамическое явление, сопровождающееся превышающим пороговое значение акустическим сигналом, но и определяют координаты источника этого сигнала.
Для этого устанавливают набор геофонов вокруг изучаемой области и осуществляют непрерывную запись сейсмоакустических сигналов на каждый геофон. Для большей надежности определения координат источников акустических импульсов устанавливают по несколько геофонов на вентиляционном и откаточном штреках, и, по возможности над и/ или под разрабатываемым пластом в скважинах или смежных выработках. Достоверность определения координат выше внутри области, окруженной геофонами и тем больше, чем больше число геофонов и однороднее толща. На практике точность определения координат источника акустической эмиссии современными системами на угольных шахтах США составляет 10-15 м [9,10].
Для определения координат источников акустических импульсов может быть использован разностно-дальномерный метод, который получил широкое распространение в задачах местоопределения и навигации.
В данной работе предложена и испытана новая математическая модель для вычисления координат и энергии сейсмических событий техногенной природы. При быстром подвигании очистных забоев на больших глубинах, вокруг действующей лавы возникают повышенные напряжения, которые при определенных условиях, проявляются в том, что потенциальная энергия деформации горного массива превращается в кинетическую энергию горных ударов и других газодинамических явлений, типа выброса угля и газа и т. д. Эти явления представляют большую опасность для подземных рабочих и поэтому их прогноз является весьма актуальной задачей. В работе предложена новая математическая модель для вычисления интенсивности энергии техногенных сейсмических событий (формула 1).
где σe – эквивалентное напряжение, t – скорость изменения эквивалентных напряжений во времени и ε – деформации релаксации, а – скорость релаксации в угольном массиве.
Под релаксацией понимается изменения деформаций при постоянном напряжении или при постоянном горном давлении, либо уменьшение компонент горного давления, при постоянных деформациях. Допустим зафиксировали деформации и «не пускаем» образец, а в нем (внутри) происходят уменьшение напряжений, либо приложили одно и тоже самое напряжение, напряжение меняется, а образец плывет под этим напряжением , как лед или, как глина, итак, это две стороны релаксации [6].
Идея этой модели заключается в том что, чем больше уровень эквивалентных напряжений, чем больше их скорость изменения нарастания и чем меньше знаменатель, т.е. скорость релаксации, тем вероятнее то, что произойдет динамическое событие и его энергия будет высокая. Потому что знаменатель– это скорость релаксации, скорость расслабления скорость сглаживания этих неприятностей. Если скорость маленькая, знаменатель маленький, значит дробь будет большая. Дробь будет большая, когда будут большие напряжения, большая глубина.… и большая скорость их изменения, если допустим нарастает, то массив не успевает релаксировать эти напряжения, поэтому потенциальная энергия деформаций высвобождается в виде кинетической энергии горных ударов и динамических проявлений [3,5].
Эквивалентное напряжение рассчитывали по формулам Парчевского - Шашенко.
В этой формуле участвует главная компонента напряжений максимальное и минимальное нормальное напряжение — σ 1 и σ 2, а также соотношение предела прочности на растяжение к пределу прочности на сжатие ψ. Эта формула для определения эквивалентных напряжений наиболее приемлемая наиболее достоверная для осадочных горных пород которые вмещают угольные месторождения.
Данная модель была использована при расчете техногенной сейсмической опасности в окрестности одиночно действующей движущейся лавы, разрабатывающей одиночный пласт на глубине 1200 метров, рисунок 1.
Рисунок 1. Фрагмент лавы
Рисунок 2. Расчетное перераспределение техногенной сейсмичности в окрестности движущейся лавы
Для экономии времени расчетов и объёмов оперативной памяти из массива горных пород условно выделялся блок или объём массива горных пород, который охватывал середину и правую часть выработанного пространства вокруг движущегося очистного забоя и примыкающие к нему участки массива вдоль бортовых ходков и сзади монтажной камеры. К этим границам, к граням расчетной области, прикладывались граничные условия. На боковых стенках модели запрещались компоненты перемещений по нормали к этим граням. На нижней закреплялись все узлы расчетной области, а к верхней границе расчетной области прикладывалось давление вышележащей толщи. Лава подвигалась со скоростью 150 метров в месяц, участками с приращением по 50 метров. На фрагментах 1, 2 на которых показаны фрагменты распределения техногенных сейсмических событий определенных в определенных сечениях на расчетной области и на определенные моменты времени подвигания лавы [4].
Рисунок 3. Распределение прогноза сейсмической активности на примере шахты им. Засядько
На следующей картинке, показаны сводное распределение всех техногенных событий наиболее высокой, максимальной энергии, энергия которых превосходила 50 кДж. Как видим наиболее вероятное место техногенных динамических событий приурочено к нетронутому массиву который примыкает к монтажной камере, к подработанной толще и к надработанной толще, а также высока вероятность техногенных сейсмических событий впереди действий движущейся лаве зоне динамического опорного давления, Для оценки достоверности полученных результатов расчетные энергии сейсмических событий техногенной природы сравнивались с фактически измеренными в шахте.
Рисунок 4. Гистограмма прогноза энергии сейсмической активности
На распределении диаграммы видно, что гистограмма распределений этих сейсмических событий техногенной природы по энергии достаточно хорошо совпадает с измеренной в натурных условиях. На последней фигуре показаны фактические распределения координат и энергий техногенных событий, которые сопровождали отработку лавы на глубине 1200 метров. Видно, что разработанная модель достаточно хорошо описывает реальное распределение событий. На том распределении мы видим, что техногенные сейсмические события концентрируются позади монтажной камеры, в подработанной толще и впереди — в зоне динамического опорного давления, то есть где лава. Разработанная модель имеет большое прикладное значение поскольку достоверный прогноз опасных сейсмических событий техногенной природы позволяет снизить опасность подземных горных работ и сохранить жизни рабочих.
Данный реферат является незаконченным. Полная версия магистерской работы будет готова в декабре 2011 года.
Анциферов А.В., Тиркель М.Г., Анциферов В.А. Сейсмическая разведка углепородных массивов. // УкрНИМИ НАН Украины. — Донецк:"Вебер" (Донецкий филиал), 2008. - 204 с.
Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки // УкрНИМИ НАН Украины. — Донецк: ООО "АЛАН", 2003. - 312 с.
Бокий Б.В., Шкурат Е.В., Бабенко Е.В., Назимко В.В. Обоснование архитектуры системы для прогноза сейсмических событий техногенной природы[Статья] / Донецк, 2010.
Звягильский Е.Л. и др. Совершенствование микросейсмического анализа газодинамических явлений [Статья] : Проблемы горного давления 2002. - УДК 622.283
Тиркель М.Г., Майборода А.А. Основные результаты сейсмологического анализа угленосных формаций Донбасса: Сб.науч.тр.НГУ. — Днепропетровск, 2005.–№ 23. – С.128 - 136.
Гречухин В.В. Изучение угленосных формаций геофизическими методами. — М.: Недра, 1980. 360 с.
Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. — М.: ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, 2002. 172 с.
Хохлов М.Т., Харитонов О.М., Трифонов П.Г. Многоволновые сейсмические исследования угольных месторождений Донбасса. — К.: Наукова думка, 1990. - 132 с.
Забигайло В.Е., Лукинов В.В., Широков А.З. Выбросоопасность горных пород Донбасса. — К.: Наукова думка, 1983. - 286 с.
Азаров Н.Я., Анциферов А.В. Прогноз строения и состояния массива горных пород методами шахтной и наземной геофизики//Сборник научных трудов Междуноародной конференции «Горная геофизика». — Санкт - Петербург. 1998. - С. 8 - 17.