Использования акустических свойств горных пород в горном деле

Акустические свойства горных пород широко используются геологами и геофизиками при разведке и доразведке месторождений полезных ископаемых.

На этапе эксплуатации угольных шахт в широких масштабах применяется сейсмоакустический метод прогноза состояния горного массива для выявления зон, опасных по выбросам угля, породы и газа или по горным ударам.

Этот метод, по сути, представляет собой обратную задачу геофизики, когда по параметрам акустической волны (форма волнового фронта; частота, на которой расположен максимум волновой группы; величина и характер дисперсии волн; скорость распространения волновой группы и т.д.) находят параметры среды, в которой эта волна распространяется.

Обратные задачи геофизики значительно сложнее прямых задач, они имеют удовлетворительное решение только в ограниченном количестве сравнительно простых случаев. Поэтому подавляющее число известных методов диагностики горного массива носит качественный характер, а сама диагностика представляет собой, как правило, сравнение текущего значения измеряемого параметра методами статистики с самим собой, но измеренным при других (образцовых) обстоятельствах. Неизбежная неоднозначность подобных методов диагностики устраняется только с помощью комплексных наблюдений – дополнения основного метода диагностики вспомогательными наблюдениями физико-технических параметров, не связанных прямо с основным.

Для прогноза горных ударов на шахтах и в рудниках применяют практически полную аналогию современной сейсмологической аппаратуры и методы обработки сигналов, заимствованные у сейсмологов, адаптированные для наблюдений в пределах шахтного поля. Деятельность службы прогноза горных ударов заключается в многоканальной регистрации сейсмоакустических событий, происходящих в диапазоне частот от нескольких герц до нескольких десятков герц. Указанный диапазон частот, во-первых, соответствует достаточно протяженным разрывам (длиной до нескольких десятков метров) в массиве горных пород и, во-вторых, акустические колебания этого диапазона имеют относительно небольшое затухание и распространяются на расстояния, сравнимые с размерами шахтного поля. Зарегистрированные несколькими каналами сейсмоакустические события позволяют решить уравнение локации и определить области, в которых эти события располагаются наиболее плотно. Именно области сгущения событий считают опасными по горным ударам. В зависимости от конкретных горнотехнических обстоятельств принимают решение о закрытии таких выработок или о проведении мероприятий, направленных на разгрузку критической области от действующих напряжений.

Суть сейсмоакустического метода прогноза зон, потенциально опасных по внезапным выбросам угля и газа, заключается в том, что состояние каждого добычного или проходческого забоя прогнозируется отдельно, а для регистрации акустической эмиссии применяют датчики вибрации, которые размещают в верхней и нижней частях лавы или вблизи от забоя подготовительной выработки. Датчик вибрации конструктивно совмещен с предварительным усилителем и заключен в прочный корпус, предохраняющий его от повреждения силами горного давления. Сигналы передатчика поступают по двухпроводной телефонной лини связи на поверхность, где обрабатываются и регистрируются автоматически. Одновременно эти сигналы прослушивают специально обученные операторы прогноза, которые выделяют из потока информации и регистрируют сигналы акустической эмиссии и дают прогноз.

Весьма перспективным является прогноз напряженного состояния выбросоопасного массива по спектрам сигналов оборудования, работающего по углю.

Суть метода заключается в следующем: Работы по углю возбуждают в массиве широкий спектр колебаний различных типов. Экспериментально доказано, что спектральный состав (форма огибающей спектра) изменяется в зависимости от напряженного состояния массива. Таким образом, обратная задача геофизики решается методом сопоставления спектра при заведомо безопасном состоянии массива (спектра-эталона безопасной ситуации) с текущим спектром. При значительном отклонении текущего спектра от эталона, состояние забоя прогнозируют, как опасное. Известно несколько вариантов интерпретации результатов, однако, в качестве нормативного прогноза используют метод, в котором интерпретация спектра упрощена и сводится к сравнению двух составляющих спектра: на частотах 300 Гц и 2500 ¸ 3000 Гц. Обширными экспериментами установлена статистическая связь между отношением уровней сигналов на указанных частотах и состоянием выбросоопасного массива.

Сотрудниками кафедры горной геомеханики ДонНТУ создана и широко применяется на шахтах Донбасса аппаратура ЗУА-98 (см. рисунок 6.3.), предназначенная для ведения вышеописанных методов прогноза на практике.

Рисунок 6.3 – Схема организации сейсмических наблюдений с использованием аппаратуры ЗУА-98: 1 – очаг сейсмоакустического события; 2 – передатчик звукоулавливающей аппаратуры; 3 – телефонная линия связи; 4 – приемник звукоулавливающей аппаратуры; 5 – регистратор сейсмоакустической информации

Эта аппаратура существенно превосходит по параметрам все известные аналоги: динамический диапазон сигналов до 90 дБ; полоса рабочих частот от 8 до 4500Гц; коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

Аппаратура обеспечивает непрерывный контроль линии связи и компенсацию потерь сигнала в линии. Все операции по контролю линий связи и регистрации сейсмоакустической информации полностью автоматизированы, оператор службы прогноза получает информацию о режиме работы аппаратуры с помощью специального дисплея.

Поскольку функцию регистратора аппаратуры выполняет ПЭВМ, весь комплекс технических средств может быть адаптирован для выполнения различных частных задач контроля массива.

Имеется положительный опыт применения данной аппаратуры для исследования параметров процесса обрушения кровли в очистном забое.

Контрольные вопросы

1. Как подразделяют акустические (звуковые) волны по частоте и по характеру деформирования среды?

2. Какие скорости распространения звуковых волн Вы знаете?

3. Что такое акустическое сопротивление?

4. Что такое коэффициент поглощения?

5. Что называют коэффициентом поглощения и коэффициентом преломления?

6. Где в горном деле используют акустические свойства горных пород?

Поиск по сайту: