СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 2018 года по МПК E21F5/00 E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных.

Анализ признаков выбросоопасности угольных пластов, зарегистрированных перед этим явлением в призабойном пространстве, а также известных моделей потери устойчивости горного массива при протекании этого явления, свидетельствует о том, что основными факторами, определяющими выбросоопасность, являются напряженное состояние призабойного пространства, внутрипластовое давление свободного газа и прочность угля. Поэтому известные способы прогноза динамических явлений, в том числе автоматизированного прогноза, основаны на контроле одного или нескольких этих факторов.

Известен способ текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи из скважин [Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016 г. №339. – 129 с.]. Метод основан на контроле основных факторов выбросоопасности: начальная скорость газовыделения контролирует газовый фактор, а выход буровой мелочи – напряженное состояние и прочность угля. Однако этот метод не является непрерывным, требует остановки ведения горных работ, достаточно трудоемок и продолжителен.

В качестве ближайшего аналога выбран способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий генерирование акустических колебаний в горном массиве работающими механизмами, непрерывное измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и оценку выбросоопасности пласта по отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, которое является показателем выбросоопасности данного способа прогноза [Авторское свидетельство СССР №1222853, МПК Е21F5/00, Е21С39/00, опубл. 07.04.1986]. Преимуществом данного способа является непрерывность контроля выбросоопасности в процессе ведения горных работ. Но, поскольку на амплитуды спектральных компонент измеряемого акустического сигнала влияет напряженное состояние массива, а не давление газа в нем, данный способ контролирует преимущественно фактор напряженного состояния выбросоопасности. Именно поэтому он используется для прогноза динамических явлений типа внезапный выброс, горный удар и им подобных. По этой же причине ряд исследователей показатель опасности в форме отношения амплитуд из высокочастотной и низкочастотной областей спектра сигнала называют коэффициентом относительных напряжений [См, например, Копылов К.Н. Автоматизированная система контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений / К.Н. Копылов, О.В. Смирнов, А.И. Кулик, А.И. Пальцев // Безопасность труда в промышленности, 2015. - №8. - С. 32-37.].

Поскольку акустических методов контроля состояния горного массива много, а сущность рассматриваемого метода прогноза выбросоопасности основана на спектральном анализе «шумов» работающего горного оборудования, прошедших контролируемую область горного массива от источника до приемника, здесь и далее будем называть данный метод прогноза спектрально-акустическим.

При использовании этого метода для прогноза выбросоопасности идут по одному из двух путей:

По первому пути для того, чтобы скомпенсировать отсутствие учета давления газа и прочности перемятых угольных пачек в пласте, в качестве критического выбирают такое максимальное значение отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний К_кр, которое несколько ниже самого малого значения, из когда-либо замеренных перед внезапным выбросом угля и газа. Так, например, при использовании аппаратуры АК-1 нормативным документом регламентировалось устанавливать К_кр=3 [Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах (Сборник документов) / Колл. авт. – М.: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. – С. 165-168]. Нечувствительность данного способа прогноза к газовому фактору выбросоопасности и наличию перемятых (с низкой прочностью) пачек угля определяют завышенный «запас надежности» этого способа прогноза и, как следствие, недостаточную точность (достоверность) и экономическую эффективность.

Согласно второму пути разрабатывают способы и реализующие их многофункциональные системы, в которых критическое значение показателя выбросоопасности при прогнозе спектрально-акустическим методом корректируют путем учета газового фактора и прочности угля (например, патент на полезную модель №34202, МПК Е21F5/00, 27.11.2003; патент на изобретение № 2231649, МПК Е21F5/00, опубл. 27.06.2004; патент на изобретение № 2250376, МПК Е21F5/00, опубл. 20.04.2005).

Таким образом, спектрально-акустический метод прогноза выбросоопасности и других типов динамических явлений используется как самостоятельно, так и в составе многофункциональных систем.

Однако реализация данного метода осложнена выбором рабочих частот, характеризующих низкочастотную и высокочастотную области спектра шумов работающего горного оборудования.

В настоящее время известны два подхода к определению рабочих частот. Первый реализуется, например, аппаратурой АК-1 (или ее модификацией АК-1М) и заключается в разбиении рабочего частотного диапазона (например, 20-1500 Гц) на поддиапазоны низких и высоких частот. Разбиение осуществляется с помощью фильтров нижних и верхних частот.

Так, например, нормативным документом при использовании аппаратуры АК-1 или АК-1М регламентируется провести оценочные разведочные наблюдения для выбора частот среза фильтров высоких частот (ФВЧ) на одно из трех значений 600, 800 или 1000 Гц, и частот среза фильтров низких частот (ФНЧ) на одно из трех значений 160, 200 или 300 Гц [Руководство по выполнению спектрально-акустического контроля (прогноза) выбросоопасности на шахтах Кузбасса. Утверждено Кузнецким управлением Гостехнадзора России 23.04.2002 г. // Кемерово, 2002, п. 2.3.2].

Недостатки этого подхода в следующем:

1. Не используются спектральные составляющие акустического сигнала, лежащие между частотами среза ФВЧ и ФНЧ. Поэтому, если изменение напряженного состояния горного массива при ведении горной выработки приведет к существенному изменению спектра акустического сигнала именно в этой области частот, оно окажется незамеченным.

2. Необходимость проведения специальных работ для выбора частот среза фильтров высоких и низких частот и периодической их корректировки в зависимости от изменения горно-геологических и горнотехнических условий.

3. Опыт применения этого подхода показал, что невозможно установить единое значение критической величины показателя выбросоопасности для всех шахт даже одного угольного бассейна. Поэтому критическое значение показателя выбросоопасности необходимо устанавливать экспериментально, однако методики выполнения этой процедуры нет.

Второй подход к выбору рабочих частот реализуется, например, системой акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ) [Руководство по применению системы акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений // М.: МНТЛ РИВАС. 2016. – 49 с.]. В соответствии с этим документом (п. 2.5 на с. 6) рабочий диапазон частот лежит в пределах 20-3500 Гц, а области низких и высоких частот устанавливаются следующим образом. Предполагается, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического сигнала в зоне размещения приемника акустических колебаний имеет максимум. Обработка сигнала осуществляется автоматизировано с помощью специально разработанного программного обеспечения. Определяется частота, на которой амплитуда сигнала имеет максимальное значение А_мах. Левее этой частоты определяют частоты, сигналы на которых имеют соответственно амплитуды, равные 0,5А_мах и 0,75А_мах. Эти частоты являются граничными низкочастотной области спектра. Аналогично этому правее частоты, соответствующей А_мах, определяют частоты, сигналы на которых имеют соответственно амплитуды, равные 0,75А_мах и 0,5А_мах. Эти частоты являются граничными высокочастотной области спектра.

Преимущество этого подхода, по сравнению с предыдущим, состоит в том, что границы высоких и низких частот не являются фиксированными, а автоматически корректируются в зависимости от АЧХ принимаемого сигнала.

Но данный подход имеет следующие недостатки:

1. Используется не весь спектр для определения показателя опасности (коэффициента относительных напряжений).

2. Подход предполагает, что форма АЧХ сигнала имеет явно выраженный максимум. Однако на практике регистрируются, в том числе, сигналы с убывающей формой АЧХ при изменении частоты от минимальной к максимальной в области рабочих частот. Для таких случаев алгоритм расчета предполагает принудительное искажение спектра сигнала, что влияет на показатель опасности.

3. Не существует единого критического значения показателя выбросоопасности для всех шахт даже одного угольного бассейна. Поэтому критическое значение показателя выбросоопасности необходимо устанавливать экспериментально, однако методики выполнения этой процедуры нет.

Задача изобретения – повышение достоверности текущего прогноза выбросоопасности (и возможно, других типов динамических явлений) при отработке угольных пластов.

Это достигается тем, что при осуществлении способа спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающего непрерывное автоматическое измерение амплитуды генерируемого широкополосного акустического сигнала в горном массиве работающим механизмом, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование экспериментальных выборок из последовательности отсчетов аналого-цифрового преобразования, выполнение с ними процедуры быстрого преобразования Фурье и определение дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих (гармоник), их усреднение во времени, при этом дополнительно инструментальным методом определяют текущее значение показателя выбросоопасности R_т по формуле R_т=(S_max,т-1,8)(g_max,т-a), где S_max,т и g_max,т – соответственно текущие максимальное значение выхода буровой мелочи и максимальное значение начальной скорости газовыделения при бурении контрольных скважин. Параметр a берут равным 5 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 4 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России.

Определяют коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода прогноза R_о.в. контролируемой зоны пласта по формуле R_о.в.=R_т/b, где параметр b берут равным 21 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 6 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России. Время цикла подвигания забоя разбивают на равные временные интервалы, определяют полусумму амплитуд всех усредненных спектральных составляющих сигнала в каждый j-й временной интервал одного цикла подвигания забоя, находят медианный интервал частот, в котором находится медиана путем определения номера n_j спектральной гармоники, при которой выполняются условия , , для одного цикла подвигания забоя определяют номер n_min спектральной составляющей, соответствующей минимальному медианному значению частоты акустического сигнала работающего механизма. Затем определяют минимальное опорное значение медианы М_0min дискретного ряда амплитуд спектральных гармоник шумов работающего механизма по формуле М_0min=n_min⋅Δf, где Δf – интервал между соседними гармониками. Находят критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования по формуле М_кр=М_0min/R_о.в. Измеряют текущее значение медианы М_т дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов и сравнивают его с критическим значением М_кр: при М_т ≥ М_кр зону пласта относят к выбросоопасной, при М_т < М_кр зону пласта относят к невыбросоопасной.

Рабочий диапазон частот ограничивают максимальным значением, например 1000 Гц. Определение критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования проводят отдельно для каждого типа работающего оборудования. Установку приемника акустических колебаний в подготовительной выработке при определении опорного значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов осуществляют на удалении от забоя выработки, близком к предельному, соответствующему отношению амплитуды акустического сигнала работающего оборудования к акустическим помехам, близкому к трем.

Описание иллюстрирующих материалов: на фиг. 1 показана амплитудно-частотная характеристика смоделированного сигнала при σ_т/σ_пр=0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0, где σ_т и σ_пр – соответственно средние предельное (максимально возможное для контролируемого участка пласта, предшествующее разрушению массива из-за динамического явления) и текущее значения напряжений в массиве.

Обоснуем справедливость предлагаемого способа путем моделирования акустического сигнала с помощью суммы гармоник. Предположим, что аналоговый акустический сигнал, генерируемый режущим органом работающего оборудования, например, проходческого комбайна, принимается приемным преобразователем на расстоянии r от излучателя, оцифровывается, преобразуется с помощью БПФ в амплитудно-частотный спектр, который ограничивается в диапазоне частот 20-1000 Гц, причем интервал между соседними гармониками Δf равен, например, 20 Гц. Тогда частота i-ой гармоники будет равна

Ограничение частоты «сверху» обусловлено следующим. При контроле напряженного состояния впереди забоя подготовительной выработки источник и приемник акустических колебаний находятся позади контролируемой области горного массива. Однако, акустическая волна при своем движении не может быть сфокусирована в объеме среды (цилиндра, трубки), геометрические размеры поперечного сечения которой теоретически меньше половины длины волны [Савич А.И. О зоне «захвата» упругих волн // Труды Гидропроекта, 1971. - №21. - С. 29-40.]. Практически эта величина соизмерима с длиной волны. Следовательно, как минимум на эту глубину угольный пласт «прозвучивается» звуком, излучаемым режущим органом комбайна. Скорость звука в каменном угле для различных угольных бассейнов заметно отличается. Так, для Карагандинского угольного бассейна скорость продольного и поперечного звука минимальна (из основных угольных бассейнов на территории бывшего СССР) и соответственно равна 1,2-1,5 км/с и 0,8-1,0 км/с [Азаров Н.Я. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений / Н.Я. Азаров, Д.В. Яковлев // М.: Недра, 1988. – 199 с.]. Следовательно, длины волн продольного и поперечного звука частотой 1000 Гц (соответствует минимальной длине волны в выбранном рабочем диапазоне частот) здесь будут соответственно равны 1,2-1,5 м и 0,8-1,0 м. Для Печерского угольного бассейна скорость продольного и поперечного звука максимальна и соответственно равна 2,3-3,6 км/с и 1,0-1,3 км/с. Для этих скоростей длины волн продольного и поперечного звука частотой 1000 Гц будут находиться соответственно в пределах 2,3-3,6 м и 1,0-1,3 м. Таким образом, чтобы глубина контроля массива впереди забоя была не менее одного 1 м, использовать частоты, например, свыше 1000 Гц нецелесообразно.

Известно, что амплитуду i-ой гармоники акустического сигнала на расстоянии r от источника можно описать следующим образом:

где A_i0 – амплитуда i-ой гармоники у источника; F(r) – функция, учитывающая диаграмму направленности источника сигнала (например, F(r)=1 – для плоской волны; F(r)=1/r – для сферической волны); α – коэффициент затухания звука.

Известно также, что для твердого тела коэффициент затухания звука в первом приближении прямо пропорционален частоте и обратно пропорционален действующим на тело средним текущим напряжениям α ~ f/σ_т. Поэтому можно записать следующее равенство [Шадрин А.В. Основы автоматизированного непрерывного ГДЯ-мониторинга на угольных шахтах Кузбасса / А.В. Шадрин, В.А. Коноваленко // Вестник КузГТУ, 2001. - №3. - С.28-31]:

где α₀ – затухание на некоторой частоте f₀ при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии), м^-1; β – безразмерный коэффициент пропорциональности, определяемый акустическими свойствами массива; f_i – частота i-ой гармоники, Гц; σ_пр и σ_т – средние соответственно предельное (максимально возможное для контролируемого участка пласта, предшествующее разрушению массива из-за динамического явления) и текущее значения напряжений в массиве, Па; , м^-1Гц^-1.

Тогда для выбранного нами диапазона частот сумма дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих акустического сигнала с учетом (1-3) будет равна:

Предположим, что АЧХ акустического сигнала имеет максимум и ее компоненты у излучателя могут быть описаны двумя экспоненциальными функциями (возрастающей и убывающей) в следующем виде:

где А₀ – амплитуда гипотетической «нулевой» гармоники при i=0, В; параметры ξ и η – определяют скорости изменения экспонент.

Определим параметры ξ и η из условия, что А₀=1 В и амплитуды следующих гармоник удовлетворяют условию А_14,0=А_15,0 ≈ 1 В (условие «сшивания» двух экспонент). Тогда (5) примет вид:

Подставим (6) в (4). Результаты расчета амплитуд отдельных гармоник представлены на фиг. 1 при следующих значениях входящих величин: α₀=1,3 м^-1; β=0,07; f₀=500 Гц; F(r)=1; r =10 м.

Из рисунка видно, что с ростом напряжений амплитуды высокочастотных гармоник возрастают сильнее низкочастотных.

Для приведенных параметров акустического сигнала определим зависимость текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих М_т от отношения При этом в соответствии с определением под медианой будем понимать корень уравнения A(f,r)=0,5, иначе говоря, в нашем случае М_т – это значение частоты гармоники f_n, при которой выполняется условие:

Введем понятие показателя выбросоопасности спектрально-акустического метода (коэффициента относительных напряжений) К, равного отношению текущего значения медианы М_т к опорному М₀, определенному аналогично М_т на участке проводимой горной выработки, на котором предварительно был выполнен прогноз инструментальным методом по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольных шпуров:

К=М_т/М₀. (8)

В таблице в качестве примера представлены значения показателя выбросоопасности для отношений текущего и предельного значений средних напряжений при условии, что в качестве опорного М₀ взято значение медианы М_0,2 при .

Таблица

Зависимость показателя выбросоопасности спектрально-акустического метода прогноза от напряженного состояния

σ_т/σ_пр К=М_т/М_0,2 0,2 1,0 0,4 1,8 0,6 2,2 0,8 2,4 1,0 2,6

Из таблицы видно, что при рассмотренной модели акустического сигнала, имитирующего шум работающего комбайна, увеличение отношения текущих напряжений к предельным в 5 раз привело к росту показателя выбросоопасности (коэффициента относительных напряжений) К в 2,6 раза. При этом для определения показателя выбросоопасности использовался весь спектр акустического сигнала, что исключает появление ошибки в прогнозе из-за того, что изменение напряженного состояния призабойного пространства привело к изменению амплитуд спектральных составляющих, находящихся за пределами рабочего диапазона частот.

Предлагаемый способ реализуется непосредственно следующим образом. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности спектрально-акустическим методом начинают с определения критерия выбросоопасности этим методом в контролируемой выработке. Для этого выбирают экспериментальный участок, на котором выполняют прогноз выбросоопасности вначале инструментальным методом, характеризующимся высокой степенью достоверности прогноза, а затем спектрально-акустическим. Из инструментальных методов в настоящее время на угольных шахтах восточных районов России наибольшей достоверностью обладает метод текущего прогноза по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольных скважин (шпуров). В соответствии с этим методом критерий выбросоопасности для угольных шахт России описывается следующим выражением [Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016 г. №339. – 129 с.]:

R=(S_max-1,8)(g_max-a) – b=0, (9)

где R – безразмерный показатель выбросоопасности; S_max – максимальное значение выхода буровой мелочи, л/м; g_max – максимальное значение начальной скорости газовыделения, л/мин⋅м; а=5 – для Воркутинского месторождения; а=4 – для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России; b=21 – для Воркутинского месторождения; b=6 – для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России.

При R ≥ 0 зона пласта относится к выбросоопасной.

Из (9) определяют следующим образом критическое значение показателя выбросоопасности R_кр инструментального метода прогноза:

R_кр=(S_max-1,8)(g_max-a)=b, (10)

Далее определяют текущее значение показателя выбросоопасности R_т по следующей формуле:

R_т=(S_max,т-1,8)(g_max,т-a), (11)

где S_max,т и g_max,т – текущие соответственно максимальное значение выхода буровой мелочи и максимальное значение начальной скорости газовыделения.

Затем определяют коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода прогноза R_о.в. контролируемой зоны пласта как отношение текущего и критического значений показателя выбросоопасности:

После этого на этом же участке пласта определяют опорное значение медианы М₀ дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования, например, проходческого комбайна. Для этого на участке проводимой горной выработки, оснащенной аппаратурой для спектрально-акустического прогноза, например, САКСМ, в соответствии с нормативным документом, например, инструкцией по эксплуатации, во время одного цикла подвигания забоя измеряют амплитуду акустического сигнала, генерируемого работающим механизмом, проводят аналого-цифровое преобразование сигнала, формируют экспериментальные выборки из последовательности отсчетов аналого-цифрового преобразования, выполняют с ними процедуру БПФ, проводят их усреднение во времени, например, за 15-секундные интервалы времени, в результате чего получают дискретный ряд усредненных амплитуд спектральных составляющих A_ij (i∈[1; N], j∈[1; P],), где A_ij – амплитуда i-ой гармоники в j-й 15-и секундный интервал; P – количество 15-и секундных интервалов за время цикла подвигания забоя. Далее определяют полусумму амплитуд всех усредненных спектральных составляющих сигнала в каждый j-й 15-и секундный интервал и находят медианный интервал частот, в котором находится медиана путем определения номера n_j спектральной составляющей (гармоники), при которой выполняются условия:

, а . (13)

Для простоты принимают опорное значение медианы М_0j, равным меньшему значению частоты медианного интервала:

М_0j=n_j⋅Δf, (14)

где Δf – интервал между соседними гармониками.

Измерения проводят в течение одного цикла подвигания забоя, по результатам которого определяют минимальное опорное значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования М_0min. Причем процедуру определения минимального опорного значения медианы М_0min проводят отдельно для каждого типа работающего горного оборудования (комбайна, струга, буровой установки, электросверла, отбойного молотка), и из обработки исключают результаты нескольких, например, трех первых 15-и секундных интервалов.

Далее определяют (вводят понятие) коэффициента относительной выбросоопасности спектрально-акустического метода К_о.в. как отношение текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования к ее критическому значению:

Предполагая, что коэффициенты относительной выбросоопасности инструментального и спектрально-акустического метода примерно равны, находят критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования:

М_кр=М_0min/R_о.в. (16)

Затем осуществляют текущий прогноз выбросоопасности спектрально-акустическим методом путем измерения текущего значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов и сравнения его с критическим значением. При условии М_т≥М_кр зону пласта относят к выбросоопасной, а если М_т<М_кр зону пласта относят к невыбросоопасной.

По мере подвигания забоя подготовительной или очистной выработки критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования корректируют в случае изменения горно-геологических условий. При кажущемся постоянстве горно-геологических условий коррекцию критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования проводят не более чем через, например, 300 м подвигания забоя.

При выборе места установки приемника акустических колебаний в подготовительной выработке при определении опорного значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов следует учесть следующее. Он должен быть установлен на удалении от забоя выработки, близком к предельному, например, на расстоянии 25 м. Это делается с тем, чтобы получить минимальную величину критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования, что позволит избежать при прогнозе ошибки первого рода. Предельное расстояние определяется коэффициентом затухания звука в конкретной выработке и уровнем акустических шумов, замеренным до начала работы горного оборудования, акустическое излучение которого используются для прогноза выбросоопасности. Это расстояние соответствует отношению амплитуды акустического сигнала работающего оборудования к акустическим помехам, близкому к трем.

Для осуществления предлагаемого способа применяют серийно выпускаемое оборудование: для измерения начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров – ручное электросверло, комплект витых составных штанг длиной до 6,5 м, герметизатор скважины и измеритель начальной скорости газовыделения, например, типа ИГ-1; для измерения выхода буровой мелочи – мерный сосуд; для спектрально-акустического прогноза (контроля) выбросоопасности – например, систему акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ), состоящую из аппаратуры регистрации и передачи на поверхность акустического сигнала (АРАС), программного обеспечения акустического контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений (программа АКМП-РИВАС), персонального компьютера, принтера и устройства бесперебойного питания. Связь подземной части аппаратуры с наземной осуществляется линией связи, в качестве которой может использоваться, например, свободная пара проводов телефонного кабеля шахты.

Алгоритм цифровой обработки дополнительно к выполняемым программой АКМП-РИВАС операциям включает определение критического значения медианы дискретного ряда усредненных во времени амплитуд спектральных составляющих М_кр по формулам (13)-(16), а затем текущего значения медианы дискретного ряда усредненных во времени амплитуд спектральных составляющих М_т по формулам (13) и (14), в которых индекс j заменен на индекс т (текущий), и отнесение зоны пласта к выбросоопасной, если М_т≥М_кр, а если М_т<М_кр, то зону пласта относят к невыбросоопасной.

Пример. По результатам бурения контрольной скважины определили инструментальным методом текущего прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи максимальное значение начальной скорости газовыделения g_max и максимальное значение выхода штыба S_max. По ним по формуле (11) определили текущее значение показателя выбросоопасности инструментального метода R_т=4,8. По формуле (12) определили коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода R_о.в=R_т/b=4,8/6=0,8. Далее приступили к выполнению цикла подвигания забоя при ведении, например, подготовительной выработки проходческим комбайном. Длительность цикла разбили на 15-секундные интервалы времени, по окончании каждого из которых определяли из условия (13) номер n_j спектральной составляющей, соответствующей медианному значению частоты АЧХ акустического «шума» комбайна. Проанализировав весь цикл подвигания забоя, нашли, что номер n_min спектральной составляющей, соответствующей минимальному медианному значению частоты АЧХ акустического «шума» комбайна, n_min=12. По формуле (14) определили минимальное опорное значение медианы М_0min=n_min⋅Δf=12⋅20=240 Гц. Затем по формуле (16) нашли критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего комбайна М_кр=240/0,8=300 Гц.

После этого перешли к прогнозу выбросоопасности с помощью спектрально-акустического метода в автоматическом режиме. Во время работы проходческого комбайна, для которого определили значение М_кр=300 Гц, измерили в 15-и секундные интервалы времени следующие текущие значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего комбайна М_т=180; 220; 240; 260; 200; 280 Гц, сравнили их с критическим значением медианы М_кр=300 Гц и пришли к выводу, что призабойное пространство впереди выработки выбрособезопасно до выполнения следующего 15-секундного прогноза.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных. Техническим результатом является повышение достоверности текущего прогноза выбросоопасности при отработке угольных пластов. Предложен способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий непрерывное автоматическое измерение амплитуды генерируемого широкополосного акустического сигнала в горном массиве работающим механизмом, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование экспериментальных выборок из последовательности отсчетов аналого-цифрового преобразования, выполнение с ними процедуры быстрого преобразования Фурье и определение дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих (гармоник), их усреднение во времени. При этом определяют текущее значение показателя выбросоопасности R_т по формуле R_т=(S_max,т-1,8)(g_max,т-a), где S_max,т и g_max,т – соответственно текущие максимальное значение выхода буровой мелочи и максимальное значение начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров, параметр a берут равным 5 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 4 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России. Затем определяют коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода прогноза R_о.в. контролируемой зоны пласта по формуле R_о.в.=R_т/b, где параметр b берут равным 21 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 6 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России. Определяют минимальное опорное значение медианы М_0min дискретного ряда амплитуд спектральных гармоник шумов работающего механизма по формуле М_0min=n_min⋅Δf, где Δf – интервал между соседними гармониками, находят критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования по формуле М_кр=М_0min/R_о.в. Измеряют текущее значение медианы М_т дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов и сравнивают его с критическим значением М_кр, при М_т≥М_кр зону пласта относят к выбросоопасной, при М_т<М_кр зону пласта относят к невыбросоопасной. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий непрерывное автоматическое измерение амплитуды генерируемого широкополосного акустического сигнала в горном массиве работающим механизмом, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование экспериментальных выборок из последовательности отсчетов аналого-цифрового преобразования, выполнение с ними процедуры быстрого преобразования Фурье и определение дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих (гармоник), их усреднение во времени, отличающийся тем, что определяют текущее значение показателя выбросоопасности R_т по формуле

R _т=(S_max,т-1,8)(g_max,т-a),

где S_max,т и g_max,т - соответственно текущие максимальное значение выхода буровой мелочи и максимальное значение начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров, параметр a берут равным 5 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 4 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России,

определяют коэффициент относительной выбросоопасности инструментального метода прогноза R_o.в. контролируемой зоны пласта по формуле

R _o.в.=R_т/b,

где параметр b берут равным 21 для Воркутинского угольного месторождения, берут равным 6 для остальных бассейнов и месторождений восточных районов России,

время цикла подвигания забоя разбивают на равные временные интервалы, определяют полусумму амплитуд всех усредненных спектральных составляющих акустического сигнала работающего механизма в каждый j-й временной интервал одного цикла подвигания забоя, находят медианный интервал частот, в котором находится медиана, путем определения номера n_j спектральной гармоники, для которой выполняются условия , , для одного цикла подвигания забоя определяют номер n_min спектральной составляющей, соответствующей минимальному медианному значению частоты акустического сигнала работающего механизма, определяют минимальное опорное значение медианы M_0min дискретного ряда амплитуд спектральных гармоник шумов работающего механизма по формуле

M _0min=n_min⋅Δf,

где Δf – интервал между соседними гармониками,

находят критическое значение медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования по формуле

М _кр=M_0min/R_o.в,

измеряют текущее значение медианы М_т дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов и сравнивают его с критическим значением М_кр, при М_т≥М_кр зону пласта относят к выбросоопасной, при М_т<М_кр зону пласта относят к невыбросоопасной.

2. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов по п. 1, отличающийся тем, что рабочий диапазон частот ограничивают максимальным значением, например 1000 Гц.

3. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов по п. 1, отличающийся тем, что определение критического значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов работающего горного оборудования проводят отдельно для каждого типа работающего оборудования.

4. Способ спектрально-акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов по п. 1, отличающийся тем, что установку приемника акустических колебаний в подготовительной выработке при определении опорного значения медианы дискретного ряда амплитуд спектральных составляющих шумов осуществляют на удалении от забоя выработки, близком к предельному, соответствующему отношению амплитуды акустического сигнала работающего оборудования к акустическим помехам, близкому к трем.