Прогнозирование горного давления и горных ударов

ВВЕДЕНИЕ
Современные телекоммуникационные системы позволяют проводить сбор, обработку и хранение данных, с целью получения необходимой информации и непосредственной работы с ней в различных сферах деятельности. В горнодобывающей промышленности в связи с увеличением интенсивности горных работ и переходом подземных предприятий на более глубокие горизонты актуальной становится задача контроля и прогноза динамических проявлений массива горных пород.
Увеличение масштабов геодинамических проявлений требуют совершенствования методов их прогнозирования. Одним из таких наиболее перспективных методов является бесконтактный метод прогнозирования, основанный на регистрации и исследовании параметров сигналов электромагнитного излучения, вызванного процессом трещинообразования и разрушением, в следствие перераспределения горного давления.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1.
…

1.1. Способы и методы прогнозирования горных ударов
Одна из главных решаемых задач при проведении работ в горнодобывающей промышленности – обеспечение безопасности их проведения, для чего разработан комплекс профилактических мероприятий по прогнозированию динамического проявления горного давления в массиве с целью предупреждения удароопасного момента, минимизации людских и материальных потерь.
Контролирование процесса разрушения горных пород и прогнозирование горных ударов достаточно обширное направление деятельности, обусловленное, помимо сложности в исследовании объекта, многообразием задач, решаемых в области геомеханики.
…

1.2.1. Аппаратный комплекс «Ангел-М»
Аппаратный комплекс «Ангел-М» позволяет проводить контроль напряженно-деформированного состояния массива и текущую локальную оценку удароопасности. Модификация комплекса «Ангел-М» разработана ВНИМИ (г. Санкт-Петербург) и в настоящее время эксплуатируется на шахтах и рудниках России [623], [22]. Внешний вид аппаратного комплекса «Ангел-М» представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Внешний вид аппаратного комплекса «Ангел-М»
Комплекс дает возможность выполнять в автоматическом режиме прием сигналов от источников электромагнитных колебаний на антенну, расположенную на месте проводимой выработки, в течение определенного интервала времени; обеспечивает накопление собранных данных и записывает результаты в память для дальнейшей обработки и вывода на компьютер.
Комплекс «Ангел-М» состоит из блока регистрации с индикатором, приемной антенны, зарядного устройства и комплекта антенного и интерфейсного кабеля.
…

1.2.2. Аппаратный комплекс «РЭМИ-3»
Аппаратный комплекс «РЭМИ-3» осуществляет непрерывную регистрацию сигналов ЭМИ в течение 8 часов, позволяет получать информацию об изменении интенсивности и уровнях сигналов электромагнитного излучения в контролируемой области массива горных пород, дает возможность проводить интегрально-временной анализ зарегистрированных сигналов, выявить тенденции в структуре и параметрах сигнала перед динамическими проявлениями в массиве горных пород (см. рисунок 1.3). Программное обеспечение позволяет производить считывание и визуализацию результатов регистрации ЭМИ с помощью компьютера. Наличие индикатора на приборе позволяет отслеживать текущее состояние электромагнитной обстановки в режиме реального времени. Интерфейс USB дает возможность сопряжения с компьютером для сохранения результатов регистрации в базу данных и дальнейшей их обработки.
…

1.2.3. Автоматизированная система измерений «АСИ-2»
Для проведения лабораторных исследований применяется четырехканальная автоматизированная система измерений типа АСИ-2 для контроля электромагнитных процессов при испытании образцов горных пород на одноосное сжатие в режиме совместной регистрации нагрузки, перемещений в образце и соответствующего электромагнитного излучения [4].
Основными элементами регистрационной системы АСИ-2 являются ПЭВМ 486DX2 с аналоговым модулем EISA-A2000 фирмы National Instruments, который установлен на материнской плате. Данный аналоговый модуль позволяет обеспечить синхронизацию отсчетов входного напряжения по каждому из четырех каналов. Максимально допустимая частота дискретизации входного сигнала – 1 МГц, входное напряжение представляет 12 двоичных разрядов.

Таблица 1.
…

1.2.4. Лабораторный стенд «АСИ-2»
В ИГД СО РАН был разработан и реализован лабораторный стенд, позволяющий проводить экспериментальные исследования параметров образцов горных пород о влиянии на них давления с высоким уровнем нагрузки (см. рисунок 1.4). Данный стенд состоит из системы нагружения на исследуемый образец, системы регистрации АСИ-2, датчиков, системы усилителей, системы хранения, отображения и анализа полученных данных. Система нагружения включает в себя гидравлический пресс с двумя металлическими плитами размерами 300×180×45 мм, который позволяет создать нагрузку до 300 кН. Управление системой нагружения осуществляется вручную с использованием гидравлического насоса. Каждый из четырех каналов системы регистрации АСИ-2 регистрирует сигнал, снимаемый с определенного датчика, например, датчик электромагнитного излучения, датчик измерения нагрузки, датчик перемещения. Одноосное нагружение на образец осуществляется до момента его полного разрушения [3].

Рисунок 1.
…

2.1. Стадии разрушения массивов горных пород
Экспериментальное исследование поведения образцов горных пород под воздействием нагрузки позволяет получить наглядное представление о процессе их разрушения, который является сложным многостадийным процессом.
В работе [27] было выявлено, что характер поля напряжений, появляющееся вокруг выработок, зависит от ряда взаимосвязанных факторов. К таким факторам можно отнести пространственно-геометрические параметры, форму, геометрические размеры конкретных выработок, деформационные характеристики горных пород в приконтурных зонах выработок, нагружено-динамическое состояние стенок выработок под действием взрывов при проходке и соответствующее этому изменение свойств пород. Все перечисленные факторы в значительной степени влияют на процесс трещинообразования, что влечет за собой изменение свойств массива горных пород.
…

2.2. Теория возникновения электромагнитного излучения
Одним из наиболее перспективных методов, позволяющих контролировать процесс возникновения трещин и их развитие в массиве горных пород и делать прогноз удароопасного момента, является регистрация сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), которые возникают в процессе трещинообразования, в следствие перераспределения напряжено-деформированного состояния горной породы.
В настоящее время теоретическое обоснование возникновения электромагнитного излучения при разрушении горных пород описано в около тридцати гипотезах.
Возникающее при зарождении и прорастании трещин
электромагнитное излучение генерируется источниками, которые могут быть образованы областями с повышенной и пониженной плотностью заряженных дислокаций и движением зарядов по границам растущей трещины. Перемещение электрических зарядов, обладающих колебательным характером, в этих областях приводит к возникновению электрического тока.
…

3.2. Исследование осциллограмм
После проведения натурных экспериментов были записаны файлы, содержащие данные о изменении нагружено-деформированного состояния горных пород различных образцов, таких как мрамор, диабаз, туфопесчаник, базальт, сиенит, песчаник, стекло и другие. Рассмотрим ниже некоторые из них.
Синхронные осциллограммы сигналов ЭМИ и нагрузки записанных в ходе эксперимента под названием «M2403011.998» для образца мрамора представлены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Осциллограммы сигнала ЭМИ и нагрузки для образца мрамора
На рисунке видно, что процесс разрушения образца мрамора проходил в три этапа, чему сопутствует уменьшение нагрузки. Можно заметить, что на третьей стадии окончательного разрушения нагрузка имеет характер резкого и значительного уменьшения. Первое разрушение начало происходить в момент 3000 отсчета, второе произошло между 50000 и 100000 отсчетами, третье разрушение произошло в интервале между 150000 и 200000 отсчетами.
…