Отработка запасов угольных пластов камерностолбовой системой (КСО) осложняется рядом факторов, связанных в том числе со сложными горно-геологическими условиями. Для каждых условий подбирается индивидуальная технологическая схема от работки, учитывающая горнотранспортное оборудование и способы управления (поддержания) кровли. В процессе отработки выемочных участков системой КСО управление состоянием массива горных пород необходимо осуществлять с учетом изменчивости напряженно-деформированного состояния массива (НДС).
Одним из способов оперативного контроля и мониторинга изменения НДС массива горных пород является метод акустического зондирования.
В данной статье отображен опыт проведения геофизических исследований методом акустического зондирования в части контроля НДС массива подземных горных выработок в условиях шахт ООО «УК «Межегейуголь» и «Инаглинская» АО «ГОК «Инаглинский» при помощи искробезопасного портативного регистратора акустических сигналов РИПАС (Регистратор РИПАС). Целью акустических исследований является определение зон с различной степенью трещиноватости и напряженности пород кровли и боков подземных горных выработок. По результатам исследований построены карты трещиноватости.
Ключевые слова: мониторинг, акустическое зондирование, трещиноватость, ослабленные межслоевые контакты, напряженность массива.
ЗАЯТДИНОВ Д.Ф. Генеральный директор ООО НПО «АЛЗАМИР», 650056, г. Кемерово, Россия, e-mail: damir.zayatdinov@yandex.ru
ТРАНДИН И.П. Генеральный директор ООО «УК «Межегейуголь», 667007, г. Кызыл, Россия, e-mail: igor.trandin@evraz.com
ПОЗОЛОТИН А.С. к.т.н. Генеральный директор ООО «НИЦ-ИГД», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: pozalex@mail.ru
МИЧУРИН Д.И. Главный технолог шахты «Инаглинская» АО «ГОК «Инаглинский» ООО «УК «Колмар», 678960, г. Нерюнгри, Россия e-mail: michurin.d@koimar.ru
ВВЕДЕНИЕ
Для определения участков с разными типами кровли по обрушаемости с целью разработки мероприятий по ее управлению при отработке запасов угольных пластов системой КСО специалистами ООО НПО «АЛЗАМИР» проводились сейсмоакустические исследования в условиях шахт ООО «УК «Межегейуголь» [1, 2] и «Инаглинская» АО «ГОК «Инаглинский» [3] методом акутического зондирования с использованием регистратора РИПАС. При проведении исследований были выявлены изменения НДС массива подземных горных выработок, а именно зоны с разным количеством ослабленных межслоевых контактов. На основании полученных данных установлены:
– зоны с различной степенью трещиноватости;
– участки перераспределения потенциальной энергии;
– изменение относительных напряжений подземных горных выработок.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Метод акустического зондирования основан на возбуждении в массиве горных пород искусственных упругих колебаний, которые преобразуются в электрический сигнал звуковой частоты, последующая их обработка выполняется на компьютере в программе обработки результатов акустического зондирования и оценки массива горных пород «Геоскан-РИВАС» [4].
Возбуждаемый в массиве горных пород акустический сигнал является суперпозицией собственных (далее – резонансных) упругих колебаний, которые возникают в каждом слое, ограниченном ослабленными межслоевыми контактами (ОМК).
Исследования НДС массива горных пород по результатам акустических исследований основаны на следующих положениях [5].
Акустический сигнал, искусственно возбуждаемый в массиве, является суперпозицией собственных (резонансных) упругих колебаний, возникающих в каждом слое горных пород от свободной поверхности до ослабленных контактов. Существует следующая зависимость между мощностью слоя (h), в котором возникают резонансные колебания, и их частотой (fp): ,
где V – фазовая скорость поперечных волн.
Величина этой скорости определена эмпирическим пу тем и для осадочных пород составляет 2500 м/с. Исходя из формулы, зная частоту колебаний, возникших в слое горных пород, можно однозначно определить его мощность.
Мощность слоя h следует понимать как расстояние от места возбуждения колебаний (свободной поверхности) до ослабленного контакта в массиве пород.
Амплитуда резонансной частоты зависит от ряда фак- торов, среди которых ведущая роль принадлежит степени ослабления контакта между слоями. Ослабление контакта зависит от характеристики литологических контактов, но в большей мереотразвития по ним межслоевых деформаций при ведении горных работ. Благодаря этому свойству, анализируя частоту резонансов и их амплиту ду, можно сделать выводы об изменении напряженно-деформированного состояния массива в разрезе, совмещенном с пунктом возбуждения колебаний.
Прием акустического сигнала выполняется в ближней зоне (менее утроенной длины волны), поэтому при анализе результатов зондирования не рассматриваются вопросы распространения упругих волн.
Регистратор РИПАС состоит из устройства записи акустического сигнала в цифровом виде со встроенным микрофоном и акустическим преобразователем принимаемого сигнала (далее – геофон) [6]. Для выполнения акустического исследования на выбранном участке наблюдений необходимо зачистить от отслоившихся горных пород до монолитного массива место для крепления геофона и нанесения ударов.
При креплении геофона необходимо обеспечить плотный его контакт с массивом и исключить регистрацию колебаний, возникающих в элементах крепи горной выработки. При использовании для прижатия геофона к массиву металлической сетки следует удостовериться, что сетка соприкасается с демпфирующей прокладкой на тыльной части геофона и не соприкасается с его металлической частью. Способ крепления геофона должен быть одинаковым при выполнении зондирований по всему заданному профилю наблюдений (по всей заданной горной выработке).
Знаки «-» и «+» отображают места нанесения ударов относительно геофона в месте обследования слева и справа соответственно. Раздельное представление результатов обработки сигнала по серии нанесенных ударов на одной точке наблюдений позволяет более детально исследовать динамику напряжений по горной выработке.
По результатам анализа шахтных исследований при помощи программы строятся следующие графики:
– график положения ослабленных межслоевых контактов (ОМК) в толще пород кровли (рис. 1);
– график, показывающий расстояние от кровли выработки до ОМК с максимальным ослаблением (рис. 2);
– график, показывающий изменение напряжений (коэффициента К) по точкам наблюдений (рис. 3);
– график, показывающий максимальные расстояния до активных по развитию ослабленных контактов (деформаций) в пределах до 30 м (рис. 4).
ОПЫТ ВЫПОЛНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ООО «УК «МЕЖЕГЕЙУГОЛЬ» И «ИНАГЛИНСКАЯ» АО ГОК «ИНАГЛИНСКИЙ»
10.07.2019 в условиях шахты ООО «УК «Межегейуголь» специалистами ООО НПО «АЛЗАМИР» для определения участков с разными типами кровли по обрушаемости были проведены шахтные исследования пород кровли пласта 2 (Улуг) участка блока КСО-5 видеоэндоскопическим методом (метод разрушающего контроля) и акустическим методом (метод неразрушающего контроля) [1, 2].
По результатам выполненного обследования пород кровли блока КСО-5 двумя способами были сделаны следующие выводы:
– акустическим методом возможно исследовать всю протяженность блока КСО-5, а видеоэндоскопическим методом возможно только точечное исследование из-за больших трудозатрат;
– видеоэндоскопическим методом затруднительно исследовать кровлю выработки на глубину свыше 10,0 м относительно контура выработки; процесс бурения шпура для видеоэндоскопического обследования довольно трудоемкий и времязатратный;
– акустический метод способен существенно увеличить глубину исследования массива пород кровли с учетом горно-геологических условий до глубины 25,0 м от кровли выработки, занимает гораздо меньше времени относительно видеоэндоскопического метода, повышенная точность измерения в связи с увеличением количества измерений;
– акустический метод позволяет не только оценить трещиноватость пород кровли, но и определить напряженность массива вмещающих пород.
В связи с вышеизложенным был принят за основу акустический метод для выявления участков с разными типами кровли по обрушаемости с целью дальнейшего принятия решения о необходимости разработки мероприятий по управлению кровлей в процессе отработки блока КСО-5.
На основе обработанных данных, которые были полу- чены в результате шахтных акустических исследований, была построена карта трещиноватости и выделены участки горных выработок с различной степенью трещиновато- сти (пример карты представлен на рис. 5), где цветом выделены зоны трещиноватости пород кровли:
Карта трещиноватости (рис. 5) показывает:
🟢 Зелёный — участки с трещинами.
🟡 Жёлтый — слаботрещиноватый.
🔴 Красный — участки без трещин.
Для оценки эффективности проведения акустических исследований специалистами ООО НПО «АЛЗАМИР» и геолого-маркшейдерской службой шахты ООО «УК «Межегейуголь» был проведен мониторинг состояния массива горных пород при отработке участков блока КСО-5, в результате которого на участках с низкой трещиноватостью пород кровли происходило зависание пород, а на участках трещиноватых пород наблюдалась посадка пород кровли вслед за отработкой целиков. По результатам обследования видеоэндоскопическим методом выявлено увеличение количества расслоений пород кровли во время отработки по сравнению с результатами обследования до на- чала отработки блока КСО-5, при сопоставлении с результатами акустического обследования до начала отработки блока КСО-5, наличие данных расслоений обнаружено в виде ОМК, по которым произошло их раскрытие. В результате наблюдений и сопоставления акустических данных по исследованию трещиноватости с посадкой кровли соответствие составило около 94%. 24.02.2021 специалистами ООО НПО «АЛЗАМИР» были проведены исследования методом акустического зондирования горного массива с целью оценки трещиноватости пород и построения карты трещиноватости выработок блока КСО 19-5-2 в условиях шахты «Инаглинская» АО «ГОК «Инаглинский».
По результатам полученных данных была построена карта трещиноватости (рис. 6), представляющая участки крайних типов: достаточно интенсивные развития межслоевых деформаций, которые способствовали посадке пород кровли, и пониженной трещиноватости, в которых в полной мере могут проявляться явления труднообрушаемой кровли. При проведении мониторинга участка КСО 19-5-2 специалистами ООО НПО «АЛЗАМИР» и геолого-маркшейдерской службой шахты «Инаглинская» АО «ГОК «Инаглинский» было выявлено, что участки крайних типов подтвердились на 92% в процессе ведения горных работ.
ВЫВОДЫ
Опыт применения акустического метода для контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород в условиях шахт показал свою эффективность.
На основе анализа данных, полученных методом акустического зондирования, были построены карты трещиноватости, отображающие количество ослабленных межслоевых контактов в массиве горных пород, что позволило направленно применить меры по управлению кровлей.
Результат выполненных акустических исследований и проведенного мониторинга участков КСО при ведении горных работ показал достоверность данных географических исследований и составил более 90%.
Таким образом, метод акустического зондирования зарекомендовал себя как наиболее качественный и простой способ контроля за напряженно-деформированным состоянием массива горных пород.
Метод акустического зондирования рекомендуется применять не только при отработке запасов системой КСО, но и при отработке выемочного участка длинными столбами (ДСО), с целью построения карт трещиноватости пород кровли горных выработок, оконтуривающих выемочный участок, что позволит своевременно принять меры по их поддержанию и управлению кровлей.
Список литературы 1. Отчет по результатам выполнения научно-исследовательской работы с оценкой степени трещиноватости кровли блока КСО-5 (штреков, ходков) на глубину от контура кровли выработки до 10 м с целью определения необходимости выполнения мероприятий по управлению (разупрочнению) кровли при отработке блока КСО-5. ООО «АЛЗАМИР» Прокопьевск, 2019. С. 54.
2. Отчет по результатам выполнения научно-исследовательской работы «Оценка степени трещиноватости кровли блока КСО-6 (ходков, штреков) на глубину от контура кровли выработки до 10 м с целью определения необходимости выполнения мероприятий по управлению (разупрочнению) кровли при отработке блока КСО-6». ООО «АЛЗАМИР». Прокопьевск, 2019. С. 89.
3. Отчет по результатам оценки степени трещиноватости кровли блока КСО 19-5-2 (подготовительных штреков, разрезных печей) на глубину от контура выработки до 10 м. ООО «АЛЗАМИР» Прокопьевск.
4. Руководство пользователя программой обработки результатов акустического зондирования и оценки состояния горного массива «Геоскан-РИВАС». М., 2016.
5. Методика выполнения акустических зондирований горного массива с применением программно-аппаратного комплекса. М., 2016.
6. Руководство по эксплуатации РЭ 431718-010-17282729-15. М., 2016.
7. Федеральные нормы и правила в области промышленной без- опасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений имониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений», приказ № 515 от 10.12.2020.
8. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» (утв. приказом Ростехнадзора № 507 от 08.12.2020 г.).
9. Копылов К.Н., Смирнов О.В., Кулик А.И. Акустический контроль состояния массива и прогноз динамических явлений // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 8. С. 32-37.
10. Рубан А.Д. Контроль строения и состояния горного массива с использованием сейсмического мониторинга при подземной и открытой угледобыче. В сб.: Международная конференция.
Геофизика и современный мир. М.: МГУ, 1993. С. 148.
11. Проскуряков В.М., Бляхман А.С. Сейсмические методы исследования напряженного состояния горного массива. М.: Недра, 1983.
12. Сейсмоакустический мониторинг автоматизированной лавы / М. Ройтер, М. Крах, У. Кисслинг и др. // Фундаментальные и при- кладные вопросы горных наук. 2019. Т. 6. № 1. С. 206-210.
13. Ошкин А.Н., Хуснуллина Г.Ф. Возможности и перспективы сейсмоакустических исследований скважин // Технологии сейсмо- разведки. 2015. № 1. С. 92-98.
14. the research of remote earthquakes impact on the intencity of geo- mechanical processes in burst-hazardous rock massif / V.a. lugovoi, I.yu. rasskazov, d.I. tsoi et al. In: Problems of Complex development of georesources. Electronic resource. “E3S Web of Conferences”. 2018.
P. 02018.
15. the assessment of the impact of natural and anthropogenic factors on the current 22 stresstrain state of rock massif of burst-hazard- ous ore deposits in the East of russia / I.yu. rasskazov, B.g. Saksin, V.I. usikov et al. In: E3S Web of Conferences. 2018. P. 02011.
16. assessment and control of geodynamical risks under the condi- tions of a rock-bump hazardous complex deposit / I.yu. rasskazov, a.V. Sidlyar, a.a. tereshkin et al. In: E3S WEB Of CONfErENCES.
VIII International Scientific Conference “Problems of Complex de- velopment of georesources” (PCdg 2020). 2020. P. 01011