Введение к работе
Актуальность работы. Прогноз и обеспечение устойчивости кровли горных выработок являются одной из приоритетных задач геомеханики и во многом определяют эффективность и безопасность добычи полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений.
Необходимым условием успешного решения этой задачи является наличие надежной информации о плотностном разрезе пород основной и непосредственной кровли и положении границ раздела составляющих их отдельных лито логических слоев.
Получение указанной информации с использованием кернового бурения или геофизических исследований скважин чрезвычайно трудоемко, затратно и сопряжено с привнесением дополнительной нарушенности приконтурного массива. Более экономична структурная диагностика пород кровли на основе резонансного акустического метода (РАМ) геоконтроля, предполагающего спектральный анализ отклика объекта исследований на механическое импульсное воздействие. Этот метод зарекомендовал себя как эффективный инструмент выявления границ слоев с разной акустической жесткостью, но в рамках своей традиционной реализации не позволяет хотя бы приблизительно оценить плотность горных пород и степень её изменчивости в пределах каждого слоя. Отмеченное предопределяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение информативности резонансно-акустического контроля кровли горных выработок за счет получения данных о её плотностном разрезе.
Исследования, представленные в работе, проводились при поддержке фонда «Ведущие научные школы России» (грант № НШ-1467.2003.5), а также в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры и свойств горных пород на основе принципов акустической эхоскопии» в соответствии с планом НИР МГТУ, проводимых в 2002-2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (№ государственной регистрации 01200304882).
Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном изучении закономерностей отклика слоистой геологической среды па импульсное мехаїшческое воздействие для разработки резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего наряду с выявлением
границ структурных неоднородностеи возможность построения плотностного разреза исследуемой области в кровле горных выработок.
Идея работы состоит в использовании спектрального представления акустического отклика слоистого массива горных пород на механическое импульсное воздействие для получения информации о плотностном разрезе указанного массива.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Установленные закономерности отклика слоистой геологической среды на механическое импульсное воздействие определяются параметрами её скоростного и плотностного разреза, что отражает разработанная теоретическая модель резонансно-акустического метода структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок.
Расчетный плотностной разрез массива в окрестностях горных выработок может быть построен на основании Фурье-преобразования его отклика на механическое импульсное воздействие, а также априорной информации о скоростном разрезе, либо об усредненных скоростях распространения упругих волн по глубине.
Разработанные математический метод и алгоритм решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающие устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения, а также соответствующее программное обеспечение позволяют реализовать этот метод в рамках геоинформационной системы получения данных о строении и плотностном разрезе геологической среды в окрестностях горных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- качественным совпадением зависимостей информативных
параметров акустического отклика объекта контроля на импульсное
механическое воздействие, прогнозируемых на основе разработанной
теоретической модели и полученных в результате экспериментальных
.исследований;
- хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей
информативных параметров резонансно-акустического метода контроля с
искомыми структурными неоднородностями и их плотностью при
многократных (более десяти) измерениях в ходе лабораторных и натурных
экспериментов в одинаковых условиях;
- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью, не превышающей
15%) результатов определения границ структурных нсоднородностей и
плотностного разреза геологических объектов, полученных предлагаемым
методом в натурных условиях и по результатам кернового анализа;
Научная новизна работы заключается:
в разработке эффективной теоретической модели, устанавливающей взаимосвязь между амплитудно-частотным спектром акустического отклика слоистого геологического объекта на механическое импульсное воздействие, с одной стороны, и шютностным разрезом этого объекта, с другой.
в разработке математического метода решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающего устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения.
Научное значение работы заключается в обосновании резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего дистанционную оценку плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики изучения плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок на основе резонансно-акустических измерений, а также программного комплекса «Система информационного обеспечения акустических исследований строения и плотностного разреза массива горных пород в окрестностях горных выработок «INPUT-INVERSE56»», (свидетельство о государственной регистрации № 2008612488 от 20.05.2008 г.).
Реализация результатов работы. Разработанная на основе исследований автора «Методика изучения плотностного разреза пород кровли горных выработок с использованием резонансно-акустических измерений» передана в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», НИЦ «Тоннели и метрополитены» (Филиал ОАО ЦНИИС), в ЗАО Управляющая компания «Межрегиональный союз строителей», в ИПКОН РАН и в ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для практического использования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XYI научной сессии Российского акустического общества (Москва, 2005 г.) и научных симпозиумах "Неделя горняка" (МГТУ, Москва,
2007, 2008 гг.). Отдельные элементы работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ (Москва, 2001), где были отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 31 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 80 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю проф., д.т.н. Шкуратнику В. Л., научному консультанту д.ф.-м.н. Загорскому Л.С. и коллективу кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства» МГГУ за полезные консультации и помощь при постановке и проведении исследований, а также д.т.н. МолевуМ.Д. и Зуйкову И.В. за помощь при проведении натурных экспериментов.
