Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов прогноза и контроля со стояния и свойств горного массива 17
1.1. Современные методы прогноза и контроля состояния и свойств горного массива 17
1.2. Анализ исследований состояния, свойств и нарушенности углепородного массива сейсмоакустическими методами 25
1.3.Моделирование сейсмоакустических волновых полей в анизотропных, трещиноватых и многофазных горных породах. 40
1.4. Анализ методов прогноза газодинамических явлений при выемке угольных пластов. 49
1.4.1. Газодинамические явления (ГДЯ) в угольных шахтах, при ведении горных работ. 49
1.4.2. Прогноз газодинамических явлений экспресс методами. 56
1.4.3. Способы автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности. 63
1.4.4. Акустический контроль состояния призабойной части угольного пласта. 70
1.5. Выводы и постановка задач исследований. 74
2. Разработка сейсмоакустической модели исследования свойств и состояния углепород ного массива. 77
2.1. Характеристика состояния, физико - механических свойств и нарушенности углепородного массива. 77
2.2. Цели и задачи моделирования распространения сейсмоа кустических волновых полей в углепородном массиве. 81
2.3. Постановка задачи моделирования сейсмоакустического волнового поля в углепородном массиве с зонами концентрации напряжений и трещиноватости. 83
2.4. Математическая модель сеисмоакустического волнового поля 85
2.5. Конечно-разностное представление математической модели 89
2.6. Исследования структуры и информативных параметров сеисмоакустического волнового поля в углепородном массиве. 97
2.6.1. Выбор и обоснование объектов исследований. 97
2.6.2. Зависимость параметров волнового поля от спектра источника колебаний. 104
2.6.3. Влияние мощности угольного пласта на формирование волнового поля при шахтных сейсмоисследованиях. 107
2.6.4. Влияние слоистого строения пород почвы и кровли на структуру сеисмоакустического волнового поля и параметры от дельных типов волн 117
3. Исследования влияния повышенного горно го давления и трещиноватости углепородного массива на параметры сеисмоакустического волнового поля. 133
3.1. Влияние концентрации горного давления, распределенно го по всей плоскости модели на параметры проходящего волново го поля. 136
3.2. Влияние локальных зон концентрации напряжений на па раметры проходящего волнового поля. 154
3.3. Влияние локальных зон повышенного горного давления на параметры отраженного волнового поля. 157
3.4. Влияние локальных зон трещиноватости на параметры отраженного волнового поля 163
4. Экспериментальные исследования влияния строения, зон повышенного горного давления и трещиноватости углепородного массива на па раметры сеймоакустических волн 170
4.1. Методические положения экспериментальных исследований 170
4.2. Использование метода сейсмической томографии при анализе и интерпретации данных шахтной сейсморазведки. 171
4.3. Исследования зон опорного давления на параметры про ходящих волн 176
4.4. Исследование влияния повышенного горного давления, распределенного в плане выемочного столба на параметры проходящих волн 195
4.5. Исследование влияния зон трещиноватости и зон повышенного горного давления на параметры отраженных волн 201
5. Обоснование критериев и разработка мето дологии прогноза зон повышенного горного дав ления и трещиноватости горного массива. 213
5.1. Критерии прогноза зон повышенного горного давления методом сейсмопросвечивания. 213
5.2. Критерии прогноза локальных зон повышенного горного давления и зон трещиноватости методами отраженных волн. 215
5.3. Метододргия проведения сейсморазведочных работ по прогнозу аномально-напряженных зон. 216
6. Прогнозирование физико - механичеких и реологических свойств массива горных пород сейсмоакустическим методом. 220
6.1. Математическая модель сейсмоакустического волнового поля в анизотропной - поглощающей среде. 220
6.2. Исследование взаимосвязи параметров анизотропной - поглощающей и пористой среды. 222
6.3. Связь волновых и реологических параметров среды 230
6.4. Влияние пористости на физико-механические параметры среды 237
6.5. Методология определения релаксационных параметров rsи os 240
6.6. Конечно - разностные схемы уравнения анизотропной -поглощающей среды для двумерного случая. 248
6.7. Решение системы уравнений волн Р, SV и Релея методом конечных разностей в плоскости 250
6.8. Экспериментальное определение физико - механических и реологических параметров углепородного массива. 253
6.8.1. Методика определения физико-механическихи реологических параметров углепородного массива. 253
6.8.2. Обработка и анализ шахтных экспериментальных данных. 265
7. Сейсмоакустический прогноз газодинами ческих явлений (гдя) при выемке угольных пла стов 279
7.1. Практическая оценка и контроль риска газодинамическихявлений в угольных шахтах 279
7.2. Физические основы сейсмоакустического контроля и прогноза опасности газодинамических явлений. 284
7.3. Амплитудно-частотные характеристики активных и пассивных источников сейсмоакустической информации. 287
7.4. Отличительные особенности пластов в зоне, опасной по газодинамическим явлениям
7.5. Алгоритм сейсмоакустического контроля выбросо и уда-роопасности угольных пластов. 293
7.6. Технология сейсмоакустического прогнозирования газодинамических явлений в угольных шахтах. 300
7.7. Выводы 310
Заключение 312
- Анализ исследований состояния, свойств и нарушенности углепородного массива сейсмоакустическими методами
- Конечно-разностное представление математической модели
- Влияние локальных зон повышенного горного давления на параметры отраженного волнового поля.
- Исследования зон опорного давления на параметры про ходящих волн
Введение к работе
Актуальность проблемы. Планирование рациональной технологии горных работ, параметров и порядка отработки месторождений производится на основе надежного прогноза горногеологических условий. Особое значение здесь имеет характеристика состояния и свойств угольного пласта и вмещающих пород.
При ведении геологоразведочных работ и последующей доразведки угольных месторождений, на основании информации получаемой при стандартной сетке расположения скважин, надежность описания свойств и состояния массива не превышает 50 % /1,3,4/.
Кроме того, в процессе ведения горных работ с появлением техногенной нарушенности в массиве происходит перераспределение напряженного состояния, дегазация, изменяются гидродинамические режимы подземных вод в обводненных горных пород и соответственно изменяются свойства и состояние горного массива /12-14/.
Поэтому на стадии эксплуатации широко применяется оперативный геофизический прогноз и контроль состояния и свойств массива. Средний уровень надежности сейсмоакустического прогноза в настоящее время достигает 75 - 78%. Усложнение горногеологических условий с увеличением глубины разработки месторождений, применение комплексной механизации выемки пластов, необходимость повышения безопасности горных работ требует увеличения надежности сейсмоакустического прогноза свойств и состояния горного массива. Одним из путей решения этой проблемы является разработка методологии и обоснование критериев прогнозирования состояния горного массива сейсмоакустическими методами путем моделирования волновых полей для шахтных условий более полно учитывающих пористость и упруговязкие свойства угольного пласта и вмещающих пород, и применения автоматизированной обработки результатов выполненных из мерений. Применение автоматизированного сейсмоакустического мониторинга горного массива и оперативной обработки результатов выполняемых измерений позволяет интегрировать сейсмоакустический прогноз и контроль Ш за состоянием и свойствами массива в качестве подсистемы в общешахтную систему автоматизированного контроля.
При этом разработку критериев прогноза и методику проведения сейсмоакустического прогнозирования и контроля состояния и свойств горного массива рационально проводить комплексно с использованием геомеханических методов.
Целью работы является разработка методологии и обоснование критериев сейсмоакустического мониторинга углепородного массива, обеспечивающих повышение информативности и надежности прогнозирования состояния, свойств и критических ситуаций в горном массиве при выемке угля Ф и проходке горных выработок.
Идея работы состоит в использовании эффектов, учитывающих влия-ф ние трещинной пористости, упруго-вязких свойств углепородного массива и колебаний горного давления на кинематические и динамические параметры сеисмоакустических волновых полей и создании на основе установленных закономерностей сеисмоакустических моделей, алгоритмов, программных комплексов и регистрирующей аппаратуры, позволяющих прогнозировать изменение состояния, свойств и критических ситуаций в нем в процессе ведения горных работ.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе применен комплекс методов исследований:
анализ и обобщение результатов, полученных в данной области; численные и аналитические методы математического моделирования сеисмоакустических волновых полей в угольных пластах и вмещающих породах;
натурные экспериментальные исследования влияния строения, нару шенности и физико-механических свойств массива горных пород на сейс- моакустические параметры регистрируемых волновых полей в полевых и шахтных условиях; лабораторные научно-технологические работы по созданию и стендо вым испытаниям новых типов аппаратуры для сбора и регистрации сейсмоа-кустической информации;
компьютерная обработка, анализ и интерпретация сейсмоакустической информации, полученной в натурных экспериментах с помощью разработанных алгоритмов и программных комплексов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическое моделирование формирования и распространения сейсмоакустического волнового поля Р-, SV- и SH-волн в углепородном массиве реализуется путем введения в систему дифференциальных уравнений Ф эффективных модулей упругости, передающих их зависимость от пространственных координат, трещинной пористости и степени концентрации горно-Л го давления.
2. Моделирование реализуется путем конечно-разностного разложения частных производных дифференциальных уравнений, приводящего при вычислении колебательного процесса к формированию модельных сейсмотрасс, которые передают: скорости распространения первых вступлений волновых пакетов с погрешностью 1-2%, скорости распространения максимумов огибающих волновых пакетов с погрешностью 3-4%, форму амплитудного спектра и его частотный состав различных типов волн с погрешностью 7-9% .
3. Структура сейсмоакустического волнового поля, регистрируемого в шахтных условиях, значения кинематических и динамических параметров отдельных типов волн определяются геологическим строением, физико-механическими и акустическими свойствами угольного пласта и вмещающих пород, а также амплитудно-частотным спектром источника колебаний;
4. Определение условий и вероятности возникновения критических СИ і туаций при очистных и проходческих работах, приводящих к изменению напряженного состояния, трещиноватости, пористости и содержания газа в уг-лепородном массиве достигается моделированием сейсмоакустических волновых полей и их анализом с помощью разработанных критериев.
5. Установлено, что критерии выбросоопасности угольных пластов, разработанные на основе амплитудно-частотных характеристик колебательного процесса, инициируемого в уголепородном массиве выемочными машинами или буровыми агрегатами, происходящего в призабойной области угольного пласта и зарегистрированного сейсмоакустическими датчиками, действительны только для конкретных горно-геологических условий и технологии горных работ (свойств угольного пласта вмещающих пород, средств механизации и способов выемки).
6. Установлено влияние повышения горного давления на изменение физико-механических и сейсмоакустических свойств угольного пласта и вмещающих пород:
увеличение эффективных упругих констант X и ! на 85 и 60% соответственно, что может привести к снижению резкости акустических границ на 25 %, увеличению акустической жесткости угля на 40%) и вмещающих пород на 17% , изменению структуры полного волнового поля и отдельных типов волн;
в зависимости от свойств массива скорости продольных волн могут возрастать на 3-35%, а поперечных на 3-25% при этом коэффициент затухания может снижаться в несколько раз ;
при максимально возможном увеличении эффективных упругих констант в угольном пласте мощности отраженных сигналов составляют: для Y компоненты 9%, а для X компоненты 2% от падающих.
7. Получены аналитические зависимости между величиной диссипатив- нопо затухания, частотой колебаний, скоростями продольных и поперечных волн и свойствами массива: упругими постоянными Ляме, пористостью, вре і менем релаксации и константами вязкости пласта на основе использования времен релаксации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:
большими объемами результатов теоретических и экспериментальных исследований, не противоречащих известным фундаментальным закономерностям, описывающим геомеханические и сеисмоакустические процессы в углепородных массивах;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных расчетов (погрешность при оценке кинематических параметров 5%, динамических параметров 27%), выполненных численными методами; совпадением результатов статистической обработки расчетных данных с данными практики;
значительным объемом сравнительного анализа результатов обработки и геолого-геофизической интерпретации исходной шахтной сейсморазведоч-ной информации методами, разработанными автором, с фактическим строением и состоянием углепородного массива полученным после отработки угольных пластов;
положительными результатами лабораторных и производственных испытаний разработанных аппаратуры, алгоритмов и программных комплексов.
Научное значение работы состоит в:
-разработке методологии исследования, анализа и интерпретации сейс-моакустических волновых полей в горном массиве с целью прогнозирования его строения, состояния и физико-механических свойств;
-установлении закономерностей формирования и распространения сейс-моакустических волновых полей в углепородных массивах, имеющих различное строение и состояние;
-обосновании и установлении сейсмоакустических критериев, позво ляющих прогнозировать различные типы нарушений массива горных пород, зон повышенного горного давления и зон трещиноватости;
-установлении взаимосвязи зон повышенного горного давления с формой и параметрами амплитудно-частотного спектра колебательного процесса, создаваемого горными машинами в процессе проходческих и очистных работ;
-экспериментальном уточнении влияния различных типов нарушений массива горных пород, зон повышенного горного давления и зон трещиноватости на структуру регистрируемых сеисмоакустических волновых полей и информативных кинематических и динамических параметров отдельных типов волн.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-разработано физико-математическое описание влияния изменения горного давления на сейсмоакустические волновые поля Р-, SV- и SH-волн в углепородном массиве, которое реализовано в модели прогнозирования свойств и состояния горного массива путем введения в систему дифференциальных уравнений переменных эффективных упругих констант как функций пространственных координат, трещинной пористости и степени концентрации горного давления;
- установлено оптимальное конечно-разностное разложение частных производных дифференциальных уравнений, приводящее при математическом моделировании колебательного процесса к формированию теоретических сейсмотрасс, которые передают параметры волновых пакетов различных типов и поляризации с минимальными погрешностями;
- установлены количественные зависимости влияния повышения горного давления на эффективные упругие константы углепородного массива и сейсмоакустические параметры регистрируемых волновых полей;
установлен механизм формирования отражающих границ как в угле, так и во вмещающих породах. При этом резкость формируемых отражаю щих границ в угольном пласте выше, так как угольный пласт, как правило, имеет большую трещинную пористость и пластичность, чем вмещающие породы и в большей мере чувствителен к изменениям горного давления;
- установлено, что критерием выбросоопасности при инициировании колебательного процесса в горном массиве выемочными машинами или буровыми агрегатами является появление в высокочастотной части спектра колебаний с длинами волн Н, где Н - мощность волновода, образуемого границами угольный пласт - вмещающие породы или границами пород непосредственной и основной кровли и почвы, и преобладание над низкочастотной частью спектра для длин волн А Н. Критическое соотношение высокочастотной и низкочастотной частей спектра регистрируемых колебаний определяется геологическим строением и физико—механическими свойствами угольного пласта и вмещающих пород конкретного проходческого или очистного забоя;
- влияние зон трещиноватости на процесс формирования отраженных волн идентично процессу формирования отраженных волн от зон повышенного горного давления (ПГД). Качественное поведение информативных сес-моакустичеких параметров (амплитуда, частота, соотношение Akn/ Ап6 и AV Аб0) совпадает;
- установлено, что наиболее чувствительными сейсмоакустическими параметрами к колебаниям горного давления являются: скорость распространения первого вступления и максимума огибающей волнового пакета боковых Р волн, частота максимума амплитудного спектра, длительность волновых пакетов, максимум модуля амплитуды.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- разработан комплекс программ автоматизированной обработки, анализа и интерпретации данных сейсмоакустических исследований строения, нарушенное™ и физико-механических свойств углепородных массивов;
- разработан комплекс программ математического моделирования формирования и распространения полного волнового поля в угольных пластах и вмещающих породах на основе теории разностных схем;
- создан малогабаритный модуль сбора и передачи акустической информации из горных выработок в диспетчерскую горного предприятия;
- созданы макеты подсистем регистрации, обработки, анализа и интерпретации сейсмической и сейсмоакустической информации в рамках международного российско-польского проекта создания системы комплексного мониторинга безопасности;
- разработана технология сейсмоакустического прогнозирования газодинамических и геодинамических явлений при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке следующих нормативных и методических документов:
«Инструкция по сейсмическому поиску и картированию зон обводненных геологических нарушений угольного пласта в выемочных столбах шахт Подмосковного бассейна», утверждена начальником ВО «Союзуглегеоло-гия», B.C. Борисовым, 1987 г.
«Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа», РД 05-350-00, утверждена постановлением Госгортехнадзора России от 04.04.00 №14.
Техническое задание на разработку «Системы комплексного мониторинга безопасности-СКМБ, обеспечивающей оперативное распознавание и предотвращение взрывов метана-пылевоздушных смесей, контроль и прогноз гео- и газодинамических проявлений на горных предприятиях», утверждено Статс-секретарем, Заместителем министра энергетики РФ, Яновским А.Б., 2001.
«Методические указания по технологии прогноза горно-геологических условий на базе геофизических методов на участках пластов, отрабатываемых с использованием высокоэффективных технологий», утверждена Руко-Ш водителем департамента государственного регулирования производственно-хозяйственной деятельности и техники безопасности в угольной промышленности Минтопэнерго РФ, Кассихиным Г.А., 1998 г.
«Комплекс программ для обработки на ЭВМ результатов пластовой сейсморазведки» //Каталог программных средств /ГосФАП. - М. - 1987. - № Г? 50870000376.
«Комплекс программ моделирования процесса распространения сейсмических волн в угленосной толще //Каталог программных средств /ГосФАП. -М. - 1991. - № ГР 50910000379.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ря- де всероссийских и международных научных конференций и совещаний:
6 Всесоюзный семинар «Аналитические методы и применение ЭВМ в Ш механике горных пород», г. Новосибирск, 1991, 1 Международная конферен ция «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства», г. Тула, 1996, II Международное рабочее совещание «Проблемы геодинамической безопасности».-С.-Пб.: ВНИМИ, 1997, International conference on coalbed methane tecgnologies of recovecy and utilisation. Poland-Katowice. 1998, Международная конференция. С.-Петербург. ВНИМИ. 1998, 28 Международная конференция Институтов по безопасности в шахтах. Синайа, Румыния. - 1999, II Междун. Конф. Сокращение эмиссии метана.
Новосибирск. - 2000, IV Междун. научно-практическая конференция. Кемерово. 2001, Международная конференция. Новосибирск. - 2001, VI международная научно-практическая конференция "GEOINFOCAD 2002. Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости".-Салоу, Испания. 11-18 мая 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, изложенных на 366 страницах машинописного текста, включая 74 рисунка, 30 таблиц, перечень литературы из 282 наименований и приложение.
Автор искренне признателен и выражает глубокую благодарность за научно - методические консультации и содействие в выполнении исследований и подготовке диссертации академику РАН Шемякину Е.И., профессорам, докторам технических наук Кусову Н.Ф., Ватолину Е.С., Чиркову С.Е., Яковлеву Д.В., Мерзлякову В.Г., Ищуку И.Г., Фейту Г.Н., Зыкову B.C., Мореву A.M., Крашкину И.С., кандидатам технических наук Исаеву Ю.С., Потапову П.В., Анциферову А.В., Тиркелю М.Г., [Хмаре О.И)., Малинниковой О.Н., Ру дакову В.А., Шадрину А.В., коллективам отделения геоинформационных технологий ИГД им. А.А. Скочинского, институтов УкрНИМИ и ПНИУИ, кафедры ФТКП МГГУ.
Особую благодарность автор выражает научному консультанту члену -корреспонденту РАН, Рубану А.Д., за высокопрофессиональные советы и содействие при подготовке диссертации.
Анализ исследований состояния, свойств и нарушенности углепородного массива сейсмоакустическими методами
Влияние горно-геологических условий залегания угольных пластов и вмещающих пород на распространяющиеся упругие колебания настолько многообразно, что регистрируемое волновое поле содержит обычно несколько типов волн различной природы и поляризации, перекрывающихся как во временной, так и в частотной областях. Поэтому понимание природы получаемых волновых полей и разработка критериев прогноза типов и параметров нарушений требует проведения большого объема работ по математическому, физическому моделированию с последующими экспериментальными оценками получаемых результатов /253/. В последнее время теоретические исследования ведутся в основном методами математического моделирования, так как при физическом моделировании необходимо решать ряд сложных вопросов, не имеющих однозначных ответов по подбору эквивалентных материалов, соблюдению условий теорем подобия, возбуждения и распространения колебаний в физических моделях, преодолению проблемы ограниченных размеров физической модели, в то время как в реальных условиях геологическая среда бесконечна /242/.
Целенаправленные и систематические теоретические исследования в области шахтной сейсморазведки были начаты в начале 70-х годов нашего столетия /49/. Первые же работы в этой области появились в 60-х годах /50-52/. Автор работы /51/ Т.Кгеу впервые получил аналитические уравнения для расчета дисперсии симметрических мод волн Лява и Релея в плоскопараллельной однослойной модели среды, привел примеры практического применения метода шахтной сейсморазведки на отраженных волнах. В качестве инструмента шахтной сейсморазведки им были определены каналовые волны, скоростные свойства и характерная частота которых описывается положением фазы Эйри. Однако задача решалась в стационарной постановке, что не позволяло рассчитывать теоретические сейсмограммы, учитывающие спектральные характеристики реального источника. Наиболее серьезные разработки теоретических основ шахтного сейс-моакустического метода прогноза с использованием каналовых волн выполнены в ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, ПНИУИ, МГГУ, УкрНИМИ. Результаты исследований нашли свое отражение в работах /49,56-60,262,263/. Математическое моделирование процесса распространения интерференционных волн в угольном пласте проводилось матричным методом, впервые описанным в работе /54/ и получившим дальнейшее развитие в /55/. С помощью данного метода рассчитывались функции дисперсии фазовых и групповых скоростей каналовых волн Лява и Релея в дискретно-слоистой модели среды. Однако матричный метод реализации Thompson и Haskell /54,55/ не позволял проводить вычисления дисперсионных зависимостей на высоких частотах при близких значениях скоростей Vs волн и Vp волн в углях и вме-е щающих породах. Позднее указанные недостатки удалось устранить А. АЬо-Zena /61/, за счет свойств симметрии исходных матриц четвертого порядка. Результаты на высоких частотах при упоминавшемся соотношении скоростей не теряли точности при сохранении ранга матрицы.
В конечном итоге исследователям удалось добиться достаточно высокого уровня развития матричных методов, но моделировать интерференционные каналовые волны в средах, отличных от дискретно-слоистых, данными методами не представляется возможным. Более сложные случаи формирования интерференционных волн Лява и Релея в слоистых средах с изменяющимися упругими свойствами исследовали Е.И. Шемякин и А.Л. Левшин в работах /62,63,65/. Используя теоретические разработки Thomson, Haskell, Левшина А.Л., В.И. Кейлис-Борока, Л.М. Бреховских, П.Г. Гильбертштейна и ряда других авторов, исследователям из ПНИУИ, а позднее из УкрНИМИ и ИГД им. А.А. Скочинского /267/ удалось промоделировать и провести анализ процесса распространения каналовых волн Лява и Релея в средах, имитирующих близкие к реальным условия залегания угольного пласта /49, 56, 57, 60, 64, 66-77/. Большой объем теоретических и экспериментальных исследований, проведенный В.К. Поляковым, позволил проанализировать влияние физических свойств вмещающих пород и угольного пласта, различных мощностей угольного пласта, различных частотных характеристик источника на параметры w каналовых волн /57,60, 67/ На основе выполненных исследований были разработаны критерии прогноза мульдообразного нарушения условий залегания угольного пласта с разрывом и без разрыва сплошности /57, 67/. Исследования и разработка комплексных инвариантных параметров для определения утонений угольного пласта и изменений физико-механических свойств вмещающих пород проводились Н.Н. Киселевым. В основу комплексных инвариантных параметров было положено сочетание информативных параметров интерференционных каналовых волн, таких как: дисперсия групповой скорости, групповая скорость, амплитуда максимума огибающей, максимум амплитудного спектра и энергетической характеристики /68,69/.
Прогнозирование карстовых нарушений и оценка водонасыщенности пород заполнителей методом сейсмопросвечивания изучалось Исаковым В.Ф./78,83/. Им установлены экспериментальные зависимости характеристик объемных волн от влажности пород, изучены зависимости характеристик интерференционных волн от породы заполнителя карстовых нарушений и их водонасыщенности, установлена экспериментальная зависимость коэффициента затухания интерференционных волн от угла наклона крыльев мульды, разработаны критерии оценки породы заполнителя и водонасыщенности карстовых нарушений угольного пласта. Весь комплекс исследований проводился в Подмосковном угольном бассейне /248/. По мере накопления результатов теоретических и экспериментальных исследований велось их обобщение Н.Я. Азаровым. Была разработана обобщенная сейсмогеологическая модель условий залегания угольных пластов Подмосковного бассейна /49,56/ описываемая семью упругими слоями, лежащими на однородном полупространстве. Полупространство представляет собой мощный высокоскоростной слой упинских известняков. Кроме того, в модели присутствуют два слоя пониженной акустической жесткости (волновода): угольный пласт и зона малых скоростей (ЗМС). Вопросы взаимодействия двух волноводов, присутствующих в сейсмогеологической модели Подмосковного бассейна исследовались в работах /69, 70, 71, 77/. Позднее Н.Я. Азаровым были обобщены результаты исследований формирования и взаимодействия интерференционных каналовых волн с углепородным массивом для основных угольных бассейнов бывшего СССР/81/.
Конечно-разностное представление математической модели
Приведенные в разд. 2.4 дифференциальные уравнения (2.1) и (2.2) без дополнительных допущений и упрощений, обычно снижающих адекватность описания физической сущности моделируемого процесса могут быть наиболее эффективно решены методом конечных разностей, достаточно подробно описанном, в работах /105, 106, 107/ и проанализированном ранее в I главе. Как известно, суть метода конечных разностей заключается в разложе нии частных производных в ряд Тейлора и получение конечно-разностного аналога с известным порядком точности. Такой подход позволяет достаточно 1 просто перейти от дифференциального представления к алгебраическому, и, используя циклические итерационные алгоритмы, получить решение в виде $» дискретных числовых значений искомой функции и аргумента. Вместе с тем, несмотря на кажущуюся простоту, существует и ряд трудностей, к основным из которых следует отнести: - обеспечение устойчивости вычислительного процесса; - гашение или удаление паразитных отражений от искусственных внешних границ модели; - исключение возможности появления искусственной дисперсии получаемого колебательного процесса; - адекватное конечно-разностное разложение дифференциальных урав- J нении на естественных границах горных пород, на границах зон нарушении и т.п. Неминуемо возникающие паразитные отражения от внешних границ модели в данной работе удаляются с помощью введения дополнительной зоны вязкости. Впервые этот метод был применен в работе /101/ для решения дифференциального уравнения, описывающего волновое поле SH -поляризации в плоскости XOZ.
Диссертантом было исследовано несколько методов исключения отражений от внешних границ модели и полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее полно и с наименьшими вычислительными затратами отражения гасятся при введении зоны вязкости вокруг внешних искусственных границ. Для описания колебательного процесса в зоне вязкости в дифференциальные уравнения (2.1) и (2.2) необходимо ввести так называемое мнимое частотное затухание. Процедура эта достаточно проста и заключается в следующем. Каждое из исходных дифференциальных уравнений (2.1) и (2.2) с помощью Фурье-преобразования из временной области переводится в час-тотную. Полученный квадрат частоты со заменяется выражением (co-i(3) где і - мнимая единица, Р - коэффициент затухания. При возведении в квадрат ука- занного выражения имеем: (to-ip)2= co2-2i(oP+i2p2 (2.9) Подставляя выражение (2.9) в исходные уравнения вместо со2 и проводя обратное Фурье-преобразование из частотной области во временную получим систему дифференциальных уравнений, пригодную для решения конечно-разностным методом:
Правые части и коэффициенты, присутствующие в них, при использовании Фурье-преобразования во временной и частотной областях, остаются неизменными для уравнений (2.1) и (2.2) и для уравнений (2.10) и (2.11). Использование при расчетах зоны вязкости требует разделения анализируемой модели на две области - внутреннюю и внешнюю. Во внутренней области коэффициент p=const и может передавать процесс затухания колебательного процесса в отдельных типах горных пород модели или аномальной зоне. Во внешней области 3=f(x,z) 0 и изменяется (нарастает) по линейному закону по мере приближения к внешним границам модели. Как показали тестовые просчеты, ширина зоны вязкости должна быть не менее 25-30 узлов счетной решетки, а амплитуда колебательного процесса между двумя ближайшими узлами не должна превышать 3-5%, так как при параметрах затухания больших 3-5% могут возникать паразитные отражения от отдельных слоев, расположенных в зоне вязкости. Для получения решения уравнений (2.10) и (2.11) в работе использовалась явная конечно-разностная трехслойная схема вычисления функций смещений по X,Y и Z- координатам в плоской постановке. Явная схема была выбрана потому, что ее использование требует значительно меньших затрат по времени, так как последовательность вычислений очень проста, минимальных запросов на оперативную память компьютера, получающиеся алгебраические выражения не требуют для вычислений использования специальных математических методов, таких, как например решение систем линейных уравнений. Но вместе с тем использование явной схемы требует жесткого соблюдения условий устойчивости вычислительного процесса, кото- I рое накладывает ограничения на величину шага дискретизации модели по времени и по координатам плоскости XOZ. Если обозначить шаг по времени через т, а шаг по координатам X и Z считать одинаковым и обозначить через h, то условие устойчивости вычислительного процесса по явной конечно- разностной схеме согласно /82/ выглядит следующим образом Таким образом, выбрав шаг дискретизации по времени, а также проведя дискретизацию модели по X и Z координатам в соответствии с условиями устойчивости (2.12) и (2.13) необходимо провести конечно-разностное разложение частных производных, входящих в уравнение (2.10) и (2.11).
Методам конечно-разностного разложения частных производных различных порядков с анализом возникающих погрешностей, точности вычисления и ряду других вопросов посвящены работы /105,106/. в которых эти вопросы освещены основательно. Поэтому, опуская выводы и доказательства существования у любой производной ее конечно-разностного аналога, приведем окончательные формулы разложения, которые были выбраны в результате большого объема тестовых просчетов и подробного анализа результатов. Разложение левых частей исходных уравнений (2.10) и (2.11) проводится по одинаковой схеме и имеет вид, полностью совпадающий для всех трех уравнений. В связи с этим разностную аппроксимацию частных производных по времени приведем только для первого уравнения:
Влияние локальных зон повышенного горного давления на параметры отраженного волнового поля.
Теоретическая возможность получения отраженного сигнала от аномально- напряженных зон объясняется тем, что волновое поле распространяющееся по угольному пласту и вмещающим породам при встрече зоны с более высокими упругими и акустическими параметрами, а также с размерами превышающими длины волн колебательного процесса, должно распадаться на поле прошедшее через зону и поле отраженное от зоны. Для исследования влияния зон повышенного горного давления на параметры отраженных волн проведем моделирование и анализ колебательного процесса в области расположения источника при условии, что зона с повышенным горным давлением расположена в центре модели, а расстояние до ее ближней границы равно 0,3L м, где L - эффективная длина модели по X - координате.
Из существующих закономерностей влияния горного давления на физико-механические свойства угля и вмещающих пород, приведенных в разд. 2.2 следует, что максимальная резкость акустической границы между зоной повышенного горного давления и за ее пределами достигается при напряжениях соизмеримых с пределом прочности угля на сжатие. Известно, что в зависимости от геологического строения угольного пласта и вмещающих пород, от глубины залегания, от величины трещинной пористости и эффективных упругих констант, резкость акустической границы между зоной концентрации напряжений и остальным горным массивом может достигать 0,7- 0,75 в угле. Во вмещающих породах резкость акустической границы обычно значительно ниже и достигает, как правило, 0,85-0,9, так как в большинстве случаев вмещающие породы подвержены влиянию горного давления в меньшей степени/15/. На первом этапе исследуем влияние резкости акустической границы, определяемой зоной повышенного горного давления, на параметры отраженного волнового поля. Предполагается, что граница зоны концентрации напряжений для модели, представленной в табл. № 3.1, расположена на расстоянии 55м от источника. Акустическая резкость границы в угле изменяется от 1 до 0,75, во вмещающих породах от 1 до 0,87.
Проведенные расчеты показывают, что с ростом резкости акустической границы между аномально- напряженной зоной и ненарушенной частью углепородного массива формируется отраженная составляющая полного волнового поля. На модельных сейсмограммах после проведения автоматической регулировки усиления (АРУ) наблюдаются прямые и отраженные волны (рис. 3.7а). Прямая волна имеет форму близкую к форме входного импульса источника, так как модельная сейсмограмма зарегистрирована на расстоянии 1,5м от источника. Отраженный сигнал на Y- компоненте состоит из двух пакетов, первый из которых представляет собой боковую SH-волну, а второй каналовую волну Лява. На отраженных сигналах X и Z-компонент наблюдаются также два волновых пакета продольных Р-волн и поперечных SV-волн. Анализ кинематических и динамических параметров отраженных волн дает следующие результаты. Так как резкость акустической границы в угле выше чем во вмещающих породах, следовательно в угольном пласте формируется отраженный сигнал более мощный чем за его пределами, а наиболее чувствительным типом волн должны быть каналовые, потому что они концентрируются в угольном пласте. Данное предположение убедительно подтверждается расчетами. При I равномерном увеличении резкости акустической границы в угле и во вмещающих породах в интервалах приведенных выше амплитуда отраженных волн различной поляризации и типов изменяется неодинаково, несмотря на наличие закономерности к увеличению (рис.3.8а). С наибольшей скоростью растет амплитуда каналовой волны Лява. Максимальный прирост по отношению к прямой волне составляет порядка 9%. Боковая SH-волна увеличивает амплитуду отраженных волн на 5%, а боковых Р и SV- волн для X и Z-компонент на 2% и 1% соответственно. В абсолютных отклонениях амплитуда отраженных волн, как показывают расчеты, при изменении резкости акустической границы в угольном пласте от 0,87 до 0,75, изменяется в 1,9-2,2 раза.
Влияние резкости акустической границы, создаваемой аномально- напряженной зоной на частоту максимума амплитудного спектра для различных типов волн показано на рис.3.86. Каналовая волна Лява увеличивает частоту максимума амплитудного спектра с 300Гц до 480Гц. Боковые волны Y-компоненты менее чувствительны. Рост резкости акустической границы привел к изменению частоты максимума амплитудного спектра от 170Гц до 260Гц. Боковые Р и SV-волны X и Z-компонент частоту максимума амплитудного спектра отраженного сигнала изменяют аналогично боковым SH-волнам (рис.3.86) и имеют следующие показатели. Р-волны увеличивают частоту максимума амплитудного спектра от 150Гц до 225Гц, а SV-волны от 175Гцдо280Гц. Параметр - ширина спектра сигнала при увеличении резкости акустической границы изменяется незначительно для всех типов волн. Распределение амплитуды по Z-координате боковой и каналовой волн Y-компоненты проходящей и отраженной составляющих полного волнового поля показано на рис.3.7б,в из которого наглядно видно более высокое (на 45%) соотношение каналовой и боковой волн в отраженной части волнового поля Акот /Абот=0,8 по сравнению с проходящей Акп/Абп = 0,55. Колебательный процесс отраженной части волнового поля в большей степени концентрируется в области угольного пласта из-за более резкой отражающей границы в угле. Исследования влияния плавного нарастания акустической жесткости углепородного массива от краев зоны к ее центру проводилось для набора скоростей изменения физико-механических свойств угля и вмещающих пород. Расчеты показывают, что для скорости изменения акустической жесткости угля от 1% до 30% на шаг счетной решетки амплитуда отраженного сигнала боковой SH-волны и каналовой волны Лява возрастает от 0,7% до 9% по отношению к падающей волне. Боковые Р и SV-волны регистрируются только начиная со скорости изменения акустической жесткости в 10%, что свидетельствует о более низкой стабильности данных типов колебаний из-за обменных процессов непрерывно происходящих между Р и SV-волнами. Амплитуда отраженных Р и SV-волн растет значительно медленнее волн Y-компоненты и прирост ее составляет лишь 1,5-2% при изменении скорости от 10% до 30%. Моделирование и анализ отраженных волн для других моделей показал качественное совпадение полученных закономерностей. 3.4. Влияние локальных зон трещиноватостн на параметры отраженного волнового поля. В отличие от зоны повышенного горного давления, зона трещиновато-сти может формировать границу с очень высокими отражающими свойствами. Известно, что физико-механические свойства угля и вмещающих пород в зоне трещиноватостн изменяются в широком диапазоне. Величина изменения колеблется от единиц процентов, до нескольких десятков. В некоторых случаях, когда происходит разрыв угодного пласта без смещения в вертикальной плоскости, в зоне разрыва могут создаваться условия снижающие значения эффективных упругих констант, а следовательно и акустических свойств пород на 80-90%.
Исследования зон опорного давления на параметры про ходящих волн
Теоретические и экспериментальные исследования геомеханического состояния углепородного массива впереди очистного забоя показывают наличие зоны опорного давления, возникающей вследствие консольного зависания пород кровли, величина которой определяется скоростью подвигания забоя лавы, а также геологическими и прочностными параметрами массива пород. За зоной опорного давления вглубь горного массива распространяется достаточно однородное поле напряжений при условии отсутствия целиков щ на вышележащих горизонтах, близко расположенных тектонических нару- шений и выдержанной геологии. Методическая основа исследований предусматривает проведение сейс-мопросвечивания углепородного массива при отработки лавы и сопоставление получаемых результатов с данными мониторинга проявлений горного давления с помощью скважинных деформометров полученных лабораторией "Геофизического контроля ..." УкрНИМИ. Такая постановка эксперимента позволяет по мере подвигания очистного забоя провести регистрацию сейсмоакустического волнового поля, как вне зоны опорного давления (фоновые значения) на начальном этапе исследова-І: ний, так и непосредственно в зоне.
Сравнительная оценка изменений горного давления и параметров волнового поля позволит выделить те параметры % волнового поля, которые являются информативными на колебания горного давления. Экспериментальные исследования изменения параметров волнового поля в зоне опорного давления проводились на столбе лавы 6 южная ш. Коммунист ПО "Октябрьуголь", пласт q2, марка А. Горно-геологические условия залегания угольного пласта следующие. Кровля пласта представлена сланцем песчаным серым, слоистым, плотным с отпечатками флоры. В верхней части слоя (до 8м) переслаивание песчаника со сланцем песчаным, мощность слоев 10-15см, в нижней части слоя до 1,2м. Над пластом воз- Ш і можно переслаивание сланца песчаного с песчаником. Мощность слоев до 5см, сильно слюдистый с углистым материалом по наслаиванию. В почве угольного пласта сланец песчаный "кучерявчик" с отпечатками флоры. Ниже залегает песчаник кварц полевошпатовый, светло-серый, мелкозернистый, слабослоистый, трещиноватый.
Цитологическая колонка и сейсмогеологический разрез представлены в табл. №4.1. Схема проведения экспериментальных исследований, показывающая расположение источников и приемников упругих колебаний, а также места заложения скважинных деформометров и результаты интерпретации полученной информации представлены на рис.4.4. Оценка зоны опорного давления осуществлялась путем сопоставления регистрируемых показаний скважинных деформометров и параметров волнового поля, полученных при обработке шахтных сейсморазведочных материалов зарегистрированных цифровой сейсмостанцией МДГБ. Шаг установки деформометров 10м, длина экспериментального участка 30м. Шаг возбуждения упругих колебаний в 5-ом южном бортовом штреке 10м. Возбуждение упругих колебаний производилось с помощью взрывчатого вещества (В В -патрон ЮОгр ). Прием упругих колебаний производился в шпурах, пробуренных в 6-ом южном бортовом штреке на геофоны с электродинамическими сейсмоприем- никами с X и Y-поляризацией. Пунктов возбуждения было 4, пунктов приема 12. Обработка шахтного сейсмоакустического материала проводилась на ПЭВМ с помощью комплекса программ обработки и интерпретации данных сейсморазведки. Тестовый перебор фильтров с различной шириной и значениями частотных интервалов показал, что полезные типы волн наиболее четко выделяются при фильтрации в частотных диапазонах [130-180] Гц, [170-200] Гц, и [210-260] Гц. На волновой картине X и Y-компонент четко выделяются два волновых пакета боковых Р и S-волн.
Присутствие на Y- компоненте Р-волн, хотя и достаточно слабых, объясняется тем, что несмотря на строго горизонтальную установку (вдоль стенки штрека) сейсмоприемников их конструктивные особенности не позволяют полностью подавить Р-волну. Поэтому для анализа были использованы на Х-компоненте два волновых пакета боковых Р и SV-волн, а на Y-компоненте только второй волновой пакет боковых SH-волн. Расчет параметров полного волнового поля и их анализ совместно с данными деформометров показывает, что такие параметры волнового поля, как максимум модуля амплитуды, частота максимума амплитудного спектра, длительность сигнала в зоне максимума опорного давления превышают средние (фоновые) значения параметров на 55-90%. Выделенные сейсмоа-кустические аномальные зоны достаточно точно коррелируются с зоной повышенного горного давления, зарегистрированной скважинными деформо-метрами. Изменение количественных показателей параметров волнового поля по профилю наблюдений показано на рис.4.5 а,б. Анализ полученных зависимостей свидетельствует о том, что, как и в теоретических исследованиях, наиболее чувствительным параметром является амплитуда. Ее отклонения от фоновых достигают 350%. Частота максимума амплитудного спектра смещается в область высоких частот, максимальное отклонение которой равно 18% для боковых SV-волн.
Частота максимума амплитудного спектра боковых Р и SH-волн также смещается в область высоких частот, ее возрастание составляет около 13%). Максимум опорного давления находится на расстоянии 5м от линии очистного забоя, что с точностью 87-89% совпадает с результатами сейсмо-исследований. Кинематические параметры волнового поля в данном эксперименте не являлись информативными и их изменения не превышают фоновых значений. Этот факт объясняется относительно невысоким приращением опорного давления, что приводит к изменениям кинематических параметров в пределах фоновых колебаний. Дальнейшие исследования влияния зон опорного давления на параметры проходящих упругих колебаний проводились на 5-ой западной лаве пласта її ш. им. Засядько. Сейсмогеологическая модель и теоретические сейс-мотрассы представлены в табл. 4.2. и на рис.4.6. Схема плана горных работ по пласту lj приведена на рис.4.7,б. Длина выемочного участка по простиранию 2180 м, по падению 200 м (средняя).
Похожие диссертации на Разработка методологии и обоснование критериев прогнозирования состояния горного массива сейсмоакустическими методами при подземной угледобыче
