Никифоров A.В., Мхатвари Т. Я., кандидаты техн. наук, Колчин Г. И., канд. геол.–минер, наук (МакНИИ)
Источник: Снижение субъективного фактора при борьбе с газодинамическими явлениями / Никифоров A.В., Мхатвари Т. Я., Колчин Г. И. // Уголь Украины. – 2011. – №2.
Изложены способы прогноза газодинамических явлений и оценки эффективности противовыбросных мероприятий, снижающих влияние субъективных факторов при использовании этих способов на угледобывающих предприятиях Донбасса.
Во время расследования аварий на угледобывающих предприятиях, в том числе с газодинамическими явлениями (ГДЯ), среди причин их возникновения часто отмечается влияние человеческого фактора. Снижение влияния субъективного фактора на прогноз состояния призабойной части пласта и оценку эффективности способа предотвращения ГДЯ возможно на основе автоматизации сбора данных о состоянии углепородного массива, их компьютерной обработки и выдачи заключения о степени опасности по ГДЯ.
Источником информации о газодинамическом и напряженно–деформированном состоянии углепородного массива служит техногенный акустический сигнал, возникающий во время воздействия горного оборудования на забой выработки, и сорбционные показатели угля. Автоматизация передачи этого сигнала из забоя выработки и его компьютерная обработка осуществляются с помощью программно–аппаратного комплекса, включающего аппаратуру передачи сейсмоакустического сигнала (АПСС 1) и программ PROG-NOZ 4.0 и ZOND.
Результаты исследований особенностей техногенного акустического сигнала, выполненных в МакНИИ, позволили разработать ряд способов прогноза ГДЯ, оценки эффективности способов их предотвращения, контроля за их выполнением, а также получения информации о напряженно–деформированном состоянии призабойной части углепородного массива и устойчивости горных выработок. В настоящее время разработаны [1] и внедрены на шахтах отрасли следующие способы: прогноза зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа, внезапным выдавливаниям угольного пласта, опасным проявлениям горного давления, прорывам метана из почвы выработок; прогноза геологических нарушений впереди движущегося забоя выработки; контроля за эффективностью осуществления противовыбросных мероприятий (гидрорыхление угольного пласта, бурение опережающих разгрузочных скважин, гидродинамического воздействия на угольный пласт) и их оцен¬ки; определения безопасной глубины выемки угля; установления межслоевых деформаций в кровле выработок и на этой основе – оценивание их устойчивости. Все способы, кроме последнего, осуществляются по единой схеме: вблизи забоя выработки устанавливают геофон аппаратуры АПСС 1, регистрируемый техногенный сигнал по линии связи передается на поверхность, вводится в персональный компьютер, где обрабатывается и анализируется по соответствующим алгоритмам.
Устойчивость выработок оценивается с помощью акустического зондирования в пунктах наблюдений горной выработки, результаты обрабатываются по программе ZOND.
Способы прогноза реализуются путем обработки техногенного акустического сигнала, возникающего в процессе выемки угля за один цикл, — снятие полоски угля в очистном забое или выемки угля и породы в подготовительном забое.
Прогноз выбросоопасности осуществляется одновременно по двум амплитудным и двум частотным параметрам спектра акустического сигнала сравнением текущих значений, полученных в выполненном цикле выемки, с их критическими значениями, которые предварительно определяются на заведомо неопасном по ГДЯ участке или принимаются по результатам обработки сигнала в соседней выработке[2].
В случае превышения одновременно всех четырех критических значений программа обработки выдает сообщение «Опасная ситуация». При этом работы по выемке угля останавливаются до выполнения противовыбросных мероприятий. Прогноз выбросоопасности распространяется только на один цикл выемки угля в очистном забое или подвигания подготовительной выработки. Такая методика обеспечивает непрерывный контроль за состоянием углепородного массива.
Для качественной оценки состояния массива вычисляют коэффициент выбросоопасности Кв, равный отношению высокочастотной составляющей спектра акустического сигнала к низкочастотной. Этот параметр отображает изменение напряженного состояния массива и используется в алгоритмах решения некоторых из перечисленных задач.
Результаты аналитических расчетов и экспериментальных исследований позволили установить, что внезапные выдавливания угольного пласта происходят вследствие отслоения мощной толщи пород кровли при отсутствии внутри ее межслоевых деформаций. При этом, как правило, зона разгрузки пласта в призабойной части увеличивается, максимум горного давления смещается в глубь массива. Поскольку спектр техногенного акустического сигнала отражает характер развития межслоевых контактов, то при возникновении опасной по выдавливанию угольного пласта ситуации резонансные частоты (максимумы амплитуд спектра) смещаются в низкочастотную область. Это явление используется в алгоритме прогноза опасных зон по внезапному выдавливанию угля.
Прорывы метана из почвы выработок происходят при ведении горных работ по угольному пласту вблизи пласта–спутника. Наиболее опасной по прорывам метана считается ситуация, когда пласт–спутник расположен на расстоянии 3 – 10 м от почвы выработки. Упругое деформирование песчаника приводит к интенсивному расслоению пород вблизи пласта–спутника, накоплению в этих местах значительного объема метана, который после разрушения песчаника устремляется в выработку.
С геологическими нарушениями различного вида связано большинство ГДЯ, поэтому своевременное выявление этих нарушений и оценка степени их опасности весьма актуальная, но одновременно и сложная задача. Прогноз геологических нарушений впереди движущегося забоя также основан на регистрации и обработке техногенного акустического сигнала [3]. Для вычисления прогностического параметра используются частота максимума спектра акустического сигнала и коэффициент выбросоопасности. Авторы экспериментально установили, что для большинства шахтопластов Донбасса критическое значение прогностического параметра равно 7.
В целях конкретизации положения геологического нарушения и оценки степени его выбросоопасности осуществляется разведочное бурение не менее двух скважин. Учитывая опасность по ГДЯ геологических нарушений, бурение контролируют по акустическому сигналу, возникающему во время воздействия бурового снаряда на угольный пласт [4]. Прогностическим параметром служит коэффициент пригрузки, вычисляемый по значению энергии акустического сигнала. Этот же параметр используется для оценки активности геологического нарушения по ГДЯ.
Аналогично акустический сигнал применяют для контроля безопасности и оценки эффективности бурения опережающих скважин [4]. Если при бурении коэффициент пригрузки превышает критический уровень, программа обработки сигнала выдает сообщение «Опасная ситуация». В этом случае бурение данной скважины следует прекратить и перейти к бурению соседней.
Бурение скважин для гидрорыхления также контролируют по параметрам техногенного акустического сигнал. Обработка и анализ сигнала, оценка эффективности мероприятий осуществляются также в автоматизированном режиме, что, с рдной стороны, исключает субъективный фактор, с другой стороны, повышает точность и достоверность выполняемых процессов.
Обработка акустического сигнала для решения перечисленных задач осуществляется с помощью программы PROGNOZ 4.0. [5], которая дополнительно обеспечивает хранение запаси акустического сигнала за последние трое суток и автоматизированный контроль времени работы комбайна, буровой установки, бурения скважин и гидрорыхления.
Выводы. Снижение влияния субъективного фактора на борьбу с ГДЯ заключается во внедрении современных автоматизированных способов прогноза и оценки эффективности применения противовыбросных мероприятий, основанных на анализе параметров акустического сигнала.
Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям: СОУ 10.1.00174088.011–2005. – К.: Минуглепром Украины, 2005.
Брюханов А.М., Колчин Г.И. Контроль выбросоопасности акустическими методами // Геотехническая механика. – 2002. – №35.
Прогнозирование геологических нарушений в условиях шахты «Комсомолец Донбасса» / Лозовский С.П., Агромаков А.М., Шикида Е.В. и др. // Уголь Украины. – 2009. – №9.
Коптиков В.П., Бокий Б.В., Бабенко И. В., Колчин Г.И. Контроль безопасности бурения скважин по параметрам акустического сигнала // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ, 2005.
Коптиков В.П., Колчин Г.И., Бабенко И.В. Программное обеспечение сейсмоакустического контроля выбросоопасности // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ, 2004.