Розвиток вітчизняної сировинної бази паливно - енергетичного комплексу та забезпечення енергетичної незалежності Україна — найважливіша народно - господарська проблема, від вирішення якої безпосередньо залежить економічний розвиток країни та її сучасне промислове виробництво. Вирішення цієї проблеми може бути реалізовано шляхом пріоритетного розвитку вуглевидобувної галузі з забезпеченням достатнього і стабільного рівня видобутку вугілля (головного енергоносія в країні) і залучення у виробництво додаткових нетрадиційних джерел енергоресурсів,найпотужнішим резервом яких є метан вугленосних формацій. Враховуючи, що у вугледобувній промисловості, як ні в якій іншій галузі гірничого виробництва, рентабельність, ефективність і безпеку праці залежать від гірничо-геологічних умов, достовірний і випереджаюче прогноз цих умов набуває важливого, першорядне значення. До теперішнього часу проведено значні обсяги геологорозвідувальних робіт на вугілля, однак методи прогнозу гірничо - геологічних умов відпрацювання вугільних пластів, що базуються тільки на даних геологічної розвідки, не задовольняють у достатній мірі вимоги вугільної промисловості до вихідної геологічної інформації [1,2].
Cучасні вугільні шахти інтенсивно відпрацьовують запаси довгими очисними вибіями, які рухаються зі швидкістю 200-500м/мес. При таких темпах посування в навколишньому масиві накопичується велика потенційна енергія деформації, яка схильна вивільнятися у вигляді динамічних ефектів, у вигляді гірських ударів і газодинамічних явищ, що супроводжуються сейсмічними ефектами техногенної природи. У зв'язку з цим завчасний прогноз таких небезпечних явищ вельми актуален. На сьогоднішній день реєстрація техногенної сейсміки здійснюється за такою ж методологією, як і при традиційному сейсмічному прогнозі. Зазвичай реєструють координати елементарної ділянки масиву, який пов'язаний з ініціатором сейсмічного імпульсу. Однак механізм природного сейсміки найчастіше зумовлений активізацією взаємного ковзання берегів раніше існуючого геологічного порушення. Техногенна сейсміка зазвичай приурочена до ділянок руйнування масиву, яка виникає в момент ведення активних гірських робіт. При цьому виникає дуже важлива прикладна задача оцінки наслідків цієї руйнації.
Так найважливіше прикладне значення має форма прояву динамічного гірського тиску. У результаті вивільнення потенційної енергії деформації в кінетичну може статися завал підготовчої виробки, що примикає до діючої лаві, або гірський удар з подальшим стрибкоподібним осіданням покрівлі в самому очисному забої, що призведе до посадки кріплення нажестко,або відбудеться газодинамічне явище у вигляді викиду вугілля і газу і т.п. Від правильності та достовірності прогнозу динамічної появи гірського тиску залежить ефективність заходів щодо його запобігання. Дуже важливим є також час очікування небезпечного динамічного ефекту. Чим раніше експлуатаційники дізнаються про майбутнє небезпечне динамічне явище, тим більше часу на підготовку та реалізацію заходів. Нарешті важливо мати надійну методіку оцінки ефективності заходів, що використовувалися. Тільки закривши всі поставлені запитання можна оцінювати методику прогнозу як надійну і практично ефективну.
Разом з тим на сьогодні немає надійної системи, яка дозволяла б виконувати прогнози з необхідною достатньою достовірністю. Останнім часом набувають поширення системи моніторингу техногенної сейсмічності, які дають можливість оперативно реєструвати координати і енергію динамічних ефектів, які виникають у результаті переходу потенційної енергії гірського тиску в кінетичну в околиці очисного вибію, що рухається [1-3]. Зазначена система забезпечує можливість отримання більш широкого спектру даних, які характеризують техногенну сейсмічність оскільки реєструє не тільки амплітуду сигналу, а й координати його джерела, спектр сейсмічних коливань, поляризацію та іншу корисну інформацію, на підставі якої можна більш детально дослідити складну динаміку зрушень масиву. Однак сучасним системам моніторингу притаманний традиційний недолік, який полягає в тому, що надійний прогноз динамічних ефектів поки здійснити не вдається [2-3].
Аналіз перерозподілу місця розташування та енергії техногенної сейсмічності свідчить про відсутність її чіткої періодичності і структурованості. Це ускладнює прогноз сейсмічності. Разом з тим частіше всього техногенна сейсмічність приурочена до діючого очисного вибію. Однак виражена періодичність у техногенній сейсміці відсутня, що свідчить про складність процесу необоротних динамічних зрушень масиву гірських порід на великій глибині. При цьому прояв геодинаміки спостерігається як попереду лави в зоні динамічного опорного тиску (рис.1, а), так і позаду неї в зоні активних зрушень (рис. 1, б). Крім того спостерігаються періоди затишшя, які вносять суттєві викривлення в періодичність динамічного прояви гірського тиску,що значно ускладнює його прогноз. Розташування та напрям посування лави зазначено стрілкою. На окремих етапах посування зареєстровано затишшя, коли виражені динамічні процеси руйнування масиву гірських порід відсутні. Таке затишшя пов'язано з переходом процесу зрушень масиву гірських порід у стадію плавного осідання, що вже наголошувалося при високих швидкостях лави [4,5]. Іноді сейсмічна активність спостерігається на ділянках незайманого масиву, які перебувають за межами впливу очисних робіт. Такі віддалені від очисних робіт ефекти очевидно пов'язані з активізацією зрушень в околиці зміщувача малоамплітудних порушень, яке поки не розвідано і не зареєстровано геологічною службою.Останній ефект має велике практичне значення, оскільки система сейсмічного моніторингу може бути використана як самостійний інструмент дорозвідки нарушенности шахтопластів. Прогноз техногенної сейсмічності є досить складним завданням, яке до цього моменту не має теоретичного обгрунтування. Це пояснюється тим, що необхідно здійснити не просто прогноз руйнування, а руйнування, яке супроводжується сильним динамічним ефектом у вигляді переходу потенційної енергії деформації в кінетичну, яка становить небезпеку для підземних робітників. На сьогодні тільки для осадових порід відомо більше десятка теорій міцності, які використовуються для оцінки статичного руйнування гірської породи. Моделі динамічного руйнування гірських порід знаходяться в стадії становлення. Саме цим пояснюється складність прогнозу ТСН. На сьогодні розроблена геомеханічна підсистема прогнозу напружено-деформованого стану масиву навколо діючого очисного вибію з урахуванням швидкості його посування [6]. Ця підсистема побудована на платформі математичної моделі чисельного рішення системи диференційних рівнянь руху твердого тіла спільно з рівняннями зв'язку напруг і деформацій. При кожному заданому положенні лави система розраховує нормальні і дотичні компоненти напружень, еквівалентні напруги, швидкість їх зміни, а також швидкість деформацій релаксації напруженого стану масиву. У процесі релаксації відбувається зменшення градієнта напруженого стану. За вказаними даними обчислюється показник техногенної сейсмічної небезпеки (ТСН), величина якого пропорційна рівню еквівалентних напружень,швидкості їх зміни і обернено пропорційна швидкості релаксації [7].
Анімація 1. Динаміка сейсміки при посуванні лави з позиції 160м в положення 200м (початкові етапи)
Ця анімація була зроблена за допомогою програми GIF - animator, складається з шести кадрів, затримка між кадрами 2 секунди.
Аналіз сейсмоакустичної емісії гірського масиву є одним з нормативних методів прогнозу газодинамічних явищ (ГДЯ) у вугільних шахтах. Цей метод досить перспективний з точки зору забезпечення безпеки підземних гірничих робітників і тому інтенсивно вдосконалюється. Розвиток сейсмоакустичного методу прогнозу ГДЯ вітчизняними фахівцями ведеться в напрямку розширення спектру емісії і його детального аналізу, що дозволило підвищити достовірність прогнозу, а також отримати додаткові дані про динаміку розшарувань товщі. У практиці вугільних шахт СНД основну увагу приділяють виміру та аналізу часових послідовностей сейсмоакустичних сигналів. У зарубіжній практиці для розширення інформаційного діапазону реєструють не тільки факт того, що десь у масиві відбулося динамічне явище, що супроводжується перевищуючим порогове значення акустичним сигналом, а й визначають координати джерела цього сигналу. Для цього встановлюють набір геофонів навколо досліджуваної області та здійснюють безперервний запис сейсмоакустичних сигналів на кожен геофон. Для більшої надійності визначення координат джерел акустичних імпульсів встановлюють по кілька геофонів на вентиляційному і відкаточному штреках, і, по можливості над і / або під пластом, що розроблюється у свердловинах або суміжних виробках. Достовірність визначення координат вище всередині області, оточеною геофонами і тим більше, чим більше число геофонів і однорідніше товща. На практиці точність визначення координат джерела акустичної емісії сучасними системами на вугільних шахтах США становить 10-15 м [9,10]. Для визначення координат джерел акустичних імпульсів може бути використаний різністно-далекомірний метод, який отримав широке поширення в задачах місцевизначення та навігації.
У даній роботі запропонована і випробувана нова математична модель для обчислення координат і енергії сейсмічних подій техногенної природи. При швидкому посування очисних вибоїв на великих глибинах, навколо діючої лави виникають підвищені напруги, які при певних умовах, проявляються в тому, що потенційна енергія деформації гірського масиву перетворюється в кінетичну енергію гірських ударів і інших газодинамічних явищ, наприклад, викиду вугілля і газу і т.д. Ці явища являють велику небезпеку для підземних робітників і тому їх прогноз є досить актуальним завданням. У роботі запропоновано нову математичну модель для обчислення інтенсивності енергії техногенних сейсмічних подій (формула 1).
де σe – еквівалентне напруження, t – швидкість зміни еквівалентних напружень в часі і ε – деформації релаксації.
Під релаксацією розуміються зміни деформацій при постійному напруженні або при постійному гірському тиску, або зменшення компонент гірського тиску, при постійних деформаціях. Припустимо зафіксували деформації і «не пускаємо» зразок, а в ньому (усередині) відбуваються зменшення напружень, або доклали одне й те саме напруження, напруга змінюється, а зразок пливе під цією напругою, як лід або, як глина, отже, це дві сторони релаксації [6]. Ідея цієї моделі полягає в тому що, чим більше рівень еквівалентних напружень, чим більше їх швидкість зміни наростання і чим менше знаменник, тобто швидкість релаксації, тим більша ймовірність того, що станеться динамічна подія і її енергія буде висока. Тому що знаменник -це швидкість релаксації, швидкість розслаблення швидкість згладжування цих неприємностей. Якщо швидкість маленька, знаменник маленький, значить дрібь буде велика. Дрібь буде велика, коли будуть великі напруги, велика глибина.... І велика швидкість їх зміни, якщо, допустимо, наростає, то масив не встигає релаксувати ці напруги, тому потенційна енергія деформацій вивільняється у вигляді кінетичної енергії гірських ударів і динамічних проявів.
Еквівалентну напругу розраховували за формулами Парчевського - Шашенко [3,5].
У цій формулі бере участь головна компонента напруг максимальне і мінімальне нормальне напруження — σ 1 и σ 2, а також співвідношення межі міцності на розтяг до межі міцності на стягування ψ. Ця формула для визначення еквівалентних напружень найбільш прийнятна найбільш достовірна для осадових гірських порід які вміщують вугільні родовища. Дана модель була використана при розрахунку техногенної сейсмічної небезпеки в околиці поодиноко діючої лави, що рухається, що розробляє одиночний пласт на глибині 1200 метрів, рисунок 1.
Рисунок 1. Фрагмент лави
Рисунок 2. Розрахунковий перерозподіл техногеної сейсмічності в околиці лави
Для економії часу розрахунків і обсягів оперативної пам'яті з масиву гірських порід умовно виділявся блок або обсяг масиву гірських порід, який охоплював середину і праву частину виробленого простору навколо очисного вибію і примикають до нього ділянки масиву вздовж бортових хідників та ззаду монтажної камери. До цих кордонів, до граней розрахункової області, прикладалися граничні умови. На бічних стінках моделі заборонялися компоненти переміщень по нормалі до цих граней. На нижній закріплювалися всі вузли розрахункової області, а до верхньої межі розрахункової області прикладався тиск вищерозміщеної товщі. Лава посувалася зі швидкістю 150 метрів за місяць, ділянками з приростом по 50 метрів. На фрагментах 1, 2 на яких показані фрагменти розподілу техногенних сейсмічних подій визначених у певних перетинах на розрахунковій області і на певні моменти часу посування лави [4].
Рисунок 3. Росподіл прогнозу сейсмічної активности на прикладі шахти им. Засядько
На наступній картинці, показані зведене розподіл всіх техногенних подій найбільш високої, максімальної енергії, енергія яких перевершувала 50 кДж. Як бачимо найбільш ймовірне місце техногенних динамічних подій приурочено до незайманого масиву який примикає до монтажної камери, до підробленої товщі і до надработанної товщі, а також висока ймовірність техногенних сейсмічних подій попереду дій лави, що рухається зоні динамічного опорного тиску. Для оцінки достовірності отриманих результатів розрахункові енергії сейсмічних подій техногенної природи порівнювалися з фактично виміряними в шахті.
Рисунок 4. Гістограма прогнозу енергії сейсмичної активности
На розподілі діаграми видно, що гістограма розподілів цих сейсмічних подій техногенної природи по енергії досить добре співпадає з виміряною в натурних умовах. На останній фігурі показані фактичні розподіли координат і енергій техногенних подій, які супроводжували відпрацювання лави на глибині 1200 метрів. Видно, що розроблена модель досить добре описує реальний розподіл подій. На тому розподілі ми бачимо, що техногенні сейсмічні події концентруються позаду монтажної камери, в підроблених товщі і попереду — в зоні динамічного опорного тиску, тобто де лава. Розроблена модель має велике прикладне значення оскільки достовірний прогноз небезпечних сейсмічних подій техногенної природи дозволяє знизити небезпеку підземних гірничих робіт і зберегти життя робітників.
Даний реферат є незавершеним. Повна версія магістерської роботи буде виконана в грудні 2011 року.
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.