Способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах

СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ(56) Гуляев П.Н. Разработка спектральноакустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2007, с. 3, 17 Изобретение относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности к способам контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах,при котором возбуждают акустическую эмиссию техногенным источником, регистрируют сигналы акустической эмиссии, обрабатывают полученные данные, по результатам обработки судят об опасном состоянии массива горных пород, и может быть использовано в горнодобывающей промышленности, прокладке тоннелей и других подземных работах. Согласно изобретению в качестве техногенного источника используют горную машину, производящую выработку. Дополнительно регистрируют сигналы акустической эмиссии от естественных источников массива горных пород. Обработка полученных данных производится с использованием изменения фрактальной размерности временного ряда акустической эмиссии, в котором определяют показатель фрактальной размерности и определяют скорость релаксации напряжений. При отклонении показателя фрактальной размерности от его стандартного значения для обследуемого массива горных пород судят о приближении момента опасного состояния массива горных пород,оценивают время до вероятного момента горного удара или обрушения. Достигаемый технический результат - повышение точности и достоверности определения момента возможного горного удара или обрушения массива горных пород при непрерывном мониторинге. Аверин Андрей Петрович, Козлов Олег Викторович, Захаров Валерий Николаевич (RU) Мызников Б.В. (RU) Изобретение относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности к способам контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, при котором возбуждают акустическую эмиссию техногенным источником, регистрируют сигналы акустической эмиссии, обрабатывают полученные данные, по результатам обработки судят об опасном состоянии массива горных пород, и может быть использовано в горнодобывающей промышленности, прокладке тоннелей и других подземных работах. Известен способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород, при котором регистрируют сигналы акустической эмиссии, обрабатывают полученные данные, по результатам обработки судят об опасном состоянии массива горных пород (см. описание к патенту на изобретение 2356071, опубликовано 20.05.2009 г.) В нем вычисляют спектры акустической эмиссии S(f). По превышению S(f) на заданной частоте f0 или интервале низких частот на величину k судят о приходе аномального акустического сигнала-предвестника, опережающего опасное состояние массива горных пород на время от нескольких суток до десятков минут. При этом k=1-3,- ошибка вычисления спектра. Недостатком данного решения является невозможность его использования для определения времени возможного горного удара или обрушения массива горных пород при подземных горных работах так как этот способ применяется для предсказания землетрясений, а при горных работах шумы от работы горной машины на порядки превышают уровень полезного сигнала, что и определяет невозможность использования данного способа при горных работах. Из уровня техники известен также способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, при котором возбуждают акустическую эмиссию техногенным источником, регистрируют сигналы акустической эмиссии, обрабатывают полученные данные,по результатам обработки судят об опасном состоянии массива горных пород, см. описание патента на изобретение 1492810, опубликовано 20.04.2000 г. В данном решении возбуждают акустическую эмиссию посредством взрыва заряда взрывчатого вещества. Данное решение взято за прототип предлагаемого изобретения. Недостатком данного решения является недостаточная точность и достоверность определения времени возможного горного удара или обрушения массива горных пород при непрерывном мониторинге,связанная с тем, что этот способ является специальным мероприятием, организовать которое очень сложно: надо готовиться, останавливать работы, производить взрыв, обработать - на это нужен почти месяц времени, или как минимум дни или недели. Такой способ не подходит для оперативного контроля. Тем более, что за это время сами условия в горной выработке успевают измениться, и точность и достоверность определения времени возможного горного удара или обрушения массива горных пород снижается. Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ контроля и определения момента опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, позволяющий, по меньшей мере, сгладить указанный выше недостаток. Для достижения этой цели в качестве техногенного источника используют горную машину, производящую выработку. Дополнительно регистрируют сигналы акустической эмиссии от естественных источников массива горных пород. Обработка полученных данных производится с использованием изменения фрактальной размерности временного ряда акустической эмиссии, в котором определяют показатель фрактальной размерности и определяют скорость релаксации напряжений. При отклонении показателя фрактальной размерности от его стандартного значения для обследуемого массива горных пород судят о приближении момента опасного состояния массива горных пород, оценивают время до вероятного момента горного удара или обрушения. Благодаря этому становится возможным повысить точность и достоверность определения момента возможного горного удара или обрушения массива горных пород при непрерывном мониторинге. Это связано с тем, что фрактальная размерность временного ряда акустической эмиссии характеризует случайность и хаотичность процессов, происходящих в горной выработке. При отклонении показателя фрактальной размерности от его стандартного значения для обследуемого массива горных пород делают вывод о приближении момента опасного состояния массива горных пород, оценивают время до вероятного момента горного удара или обрушения. Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых: фиг. 1 схематично изображает систему, реализующую способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, согласно изобретению. фиг. 2 схематично изображает в способе контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, изменения фрактальной размерности D во времени t при разрушении фрагмента горного массива, согласно изобретению. Фиг. 1 схематично изображает функциональную схему системы контроля состояния массива гор-1 022596 ных пород при подземных горных работах с несколькими модулями регистрации состояния массива горных пород, каждый модуль включает в себя трехкомпонентный датчик, имеющий три канала измерения,соответствующий трем компонентам X, Y, Z. Каждый из каналов соединен со своим усилителем, аналого-цифровым преобразователем и регистратором с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных. Система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах включает в себя по крайней мере один модуль регистрации состояния массива горных пород. Для оптимальной локации опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах необходимо минимум три, а лучше больше модулей регистрации состояния массива горных пород. Каждый модуль регистрации состояния массива горных пород включает в себя последовательно соединенные датчик 1 изменения состояния массива горных пород, усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3 и регистратор 4 с блоком синхронизации 5 и блоком первичной обработки данных 6. Каждый датчик может быть выполнен как однокомпонентным, так и трехкомпонентным, в последнем случае он имеет каналы X, Y, Z, каждый канал имеет свой усилитель, аналого-цифровой преобразователь и регистратор с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных. Выходы регистраторов модулей регистрации состояния массива горных пород подключены к линии связи 7, соединенной с сервером 8 сбора и вторичной обработки данных. Сервер 8 сбора и вторичной обработки данных соединен по крайней мере с одним компьютером 9 с модулем программного обеспечения, связанным с индикатором сигнала опасности 10. Модули регистрации состояния массива горных пород располагают под землей, в месте проведения горных работ, при этом датчики изменения состояния массива горных пород располагают внутри исследуемого массива горных пород. Сервер сбора и вторичной обработки данных, компьютер с модулем программного обеспечения, связанный с индикатором сигнала опасности располагают на поверхности в специально оборудованных помещениях. В модулях регистрации состояния массива горных пород в качестве датчиков могут быть применены датчики ускорения, основанные на микроэлектромехнической технологии MEMS, например трехкомпонентный датчик ускорения (акселерометр) lis302. В качестве линии связи могут быть любые кабели с симметричными парами марок ТПП, МКС, ТЗГ,ТГ, П-274 и аналогичные, или медная витая пара 5 категории, или оптический кабель. Данная линия связи образует сеть Ethernet. В случае, когда используется витая пара линий шахтной телефонной связи, то связь осуществляется по имеющимся витым парам через модемы, которые являются по сути "удлинителями" сети Ethernet. Для безопасного и бесперебойного питания электрических элементов системы используется сетевой искробезопасный источник питания, (СИИП), на фиг. 1 не показан. На практике способ реализуется следующим образом. На участке горного массива, в окрестностях выработки в которой ведутся работы по добыче или проходке, устанавливается система сейсмического мониторинга, включающая в себя совокупность трехкомпонентных датчиков 1 (велосиметров или акселерометров), системы оцифровки 2, 3, 4, 5 и 6 передачи 7, хранения и отображения полученных данных 8, 9 и 10. Система мониторинга непрерывно регистрирует акустическое излучение горных машин, импульсы акустической эмиссии, излучаемые горным массивом, оперативно идентифицирует и оценивает координаты источников акустических сигналов. По этим данным строятся пространственно-временные ряды параметров сигналов (интенсивности, энергии, отношений сильных/слабых и пр.), по аппроксимации экспоненциального снижения интенсивности оценивается скорость релаксации напряжений, рассчитывается показатель фрактальной размерности D временного ряда. Показатель фрактальной размерности временного ряда может быть рассчитан по формуле D = 2-Н,где Н - показатель Херста, определяемый методом нормированного размаха. Показатель Херста для случайного гауссовского процесса равняется 1/2. Для временного окна т показатель Херста находят из решения уравнения R/ = (т/2)Н, R - размах в пределах окна т (т.е. разница минимального и максимального значений), a - стандартное отклонение в пределах окна т (квадратный корень из дисперсии). Существуют и другие (например, спектральные) методы оценки D. Существует однозначная связь между таким показателем для временного ряда и аналогичным показателем для структуры массива. Увеличение длины разрыва сопровождается увеличением D, а при равных параметрах разрывов большая величина D указывает на их упорядоченность. Свыше некоторого значения D перестройка структур носит вс более быстрый характер, т.е. происходит обрушение или горный удар. В простейшем случае в качестве порогового значения принимается середина диапазона изменений величины D. Другим, более чувствительным методом установления порогового значения является корреляционный. Для ряда геологических структур на стадии "подготовки" разрушения исчезает взаимосвязь (корреляция) между параметрами временного ряда акустической эмиссии (в данном случае - величиной D) и параметрами временного ряда прямых измерений смещений контура, величиной нагрузки и.т.п. При наличии данных пороговое значение D может быть также установлено на основе ретроспек-2 022596 тивного анализа временных рядов, на эталонных участках наблюдаемого массива, а также с учтом геологической информации. На фиг. 2 показан пример изменения фрактальной размерности D во времени t при разрушении фрагмента горного массива. По оси абсцисс отложено время в секундах. По оси ординат отложен показатель фрактальной размерности D. Момент разрушения показан треугольной меткой. В соответствии с предложенным изобретением заявителем был апробирован предложенный способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах. При этом в качестве датчиков использовались откалиброванные датчики ускорения (акселерометры) lis302. Измеряемые диапазоны: 1g, 2g. Чувствительность: 2 В/g. Выходное напряжение: + 3.3 В. Дополнительно для испытаний использовался датчик метана ДМС 03. В качестве электропитания использовались СИИП, которые имеют встроенную аккумуляторную батарею и обеспечивают автоматический переход на питание от аккумуляторной батареи при отключении питающего сетевого напряжения. В качестве линии связи использовались оптический кабель СЛ-ОКМБ 01 НУ-4 Е 2-1.5, витая пара 5 категории LAN CABLE LANSET UTP5 24AWG OUTDOOR, витая пара ТППШВ 5X2X0.64, кабель полевой связи П-274. В качестве сервера сбора и вторичной обработки данных и компьютера с модулем программного обеспечения использовались компьютеры со следующими параметрами. Процессор: Pentium IV или Athlon ХР не ниже 2000 ГГц 2 х Intel Xeon с частотой не ниже 1500 ГГц. Оперативная память: не менее 1 Гб. Свободное место на жестком диске: не менее 500 Гб. Операционная система: Windows 2000/Server 2003/XP 32 bit. База данных: MySQL. В результате апробации способа заявителем был выполнен расчет горного давления на крепь шахты гидроагрегата Днестровской ГАЭС более чем на месяц вперед. Было обнаружено, что изобретение позволяет достичь высокую точность и достоверность определения времени возможного горного удара или обрушения массива горных пород; обеспечить заблаговременный прогноз времени возможного горного удара или обрушения массива горных пород, в зависимости от характера и состояния горной выработки, наличия крепей и частоты установки их, от нескольких минут до нескольких суток, позволяющий принять превентивные меры; обеспечить непрерывный мониторинг массива горных пород. Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является также то, что в качестве техногенного источника используют горную машину, производящую выработку, таким образом, горная машина из источника помех в источник полезного сигнала. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, при котором возбуждают акустическую эмиссию техногенным источником, регистрируют сигналы акустической эмиссии, обрабатывают полученные данные, по результатам обработки судят об опасном состоянии массива горных пород, характеризующийся тем, что в качестве техногенного источника используют горную машину, производящую выработку, дополнительно регистрируют сигналы акустической эмиссии от естественных источников массива горных пород, при этом обработка полученных данных производится с использованием изменения фрактальной размерности временного ряда акустической эмиссии, в котором определяют показатель фрактальной размерности и определяют скорость релаксации напряжений, а при отклонении показателя фрактальной размерности от его стандартного значения для обследуемого массива горных пород судят о приближении момента опасного состояния массива горных пород, определяют время до вероятного момента горного удара или обрушения.