Реферат: О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений

Внезапные геодинамические явления уносят множество человеческих жизней и оставляют после себя массу разрушений. Будь то землетрясения, горные удары или внезапные выбросы пород на шахтах и рудниках - у них есть одно общее: они непрогнозируемы. Собственно говоря, указание на это содержится в их названии. Назвав явление внезапным, мы тем самым как раз и признаем его непрогнозируемым.

Прогнозировать то или иное явление – значит наблюдать процессы, которые его подготавливают, с тем, чтобы экстраполируя их в перспективу, оценивать вероятность возникновения этого явления. Само собой разумеется, что если физика явления неизвестна и неизвестны процессы, ему предшествующие, то о прогнозировании не может быть и речи.

Теоретические разработки в области геодинамических явлений базируются на том, что причиной их является повышенное напряженное состояние горных пород, что приводит к разного рода энергетическим дисбалансам. То есть речь идет о субстанциях, не подлежащих экспериментальному исследованию. Потому что как энергию, каким-то образом запасаемую в земной толще, так и напряженное состояние горных пород оценить ни прямыми, ни косвенными измерениями на сегодняшний день невозможно. Подробнее об этом в работе [1].

Теоретические построения на основе положений, экспериментально не регистрируемых, являются, по сути, построениями гипотетическими, и здесь очень важно, чтобы не повторилась история с теоретической акустикой. Ведь вся судьба этой области физики на более чем 150 лет определилась мысленными моделями великого математика Пуассона, а современная теория основным своим назначением имеет разработку обоснований запретов на любые экспериментальные исследования поля упругих колебаний. Поэтому все дальнейшие построения настоящей работы будут базироваться исключительно на экспериментальных данных.

Прорыв в прогнозировании геодинамических явлений возник в результате разработки метода и соответствующей аппаратуры для прогнозирования обрушения пород кровли в условиях угольных шахт [2]. Идея этого прогнозирования состоит в следующем. Прежде, чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащего породного массива. Следовательно, вероятность обрушения пород кровли определяется наличием и местонахождением поверхностей потенциального и фактического расслоения пород. Или, иначе говоря, наличием и местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК) [3].

Как оказалось, в условиях слоистого массива угленосной толщи информация, получаемая с помощью спектрально-акустических (спектрально-сейсморазведочных) измерений в основном и состоит в выявлении местонахождения залегающих в угленосной толще поверхностей ОМК и степени ослабленности по этим поверхностям. В результате, этот подход к разработке методики оценки и прогнозирования устойчивости кровли оправдал себя полностью.

С позиций спектрально-акустических измерений, слоистый горный массив является не совокупностью отражающих поверхностей, а представляет собой совокупность колебательных систем. А любая колебательная система характеризуется значением собственной частоты f₀ и величиной добротности Q. Применительно к горному массиву, при спектрально-акустических измерениях значения частоты f_0i связаны по формуле (1) с расстояниями h_i от обнажения кровли до соответствующих поверхностей ОМК.

(1)

где – скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний. Для горных пород V_сдв =2500м/с, с погрешностью, не превышающей 10%.

Величины же добротности Q_i определяются уровнями ослабленности механического контакта по каждой из этих поверхностей. Чем слабее сцепление между породными слоями, тем более высокую добротность имеют колебания на соответствующей частоте.

На рис.1 дается иллюстрация практического использования метода спектрально - сейсморазведочного профилирования (ССП) для оценки устойчивости кровли конвейерного штрека 5а-6-8 шахты "Распадская" (Южный Кузбасс). Согласно результатам бурения, осуществленного вблизи 15-го м профиля, кровля представлена монолитным песчаником 17-метровой мощности (толщины). Выше песчаника идет песчанистый сланец, и граница между этими двумя породами достаточно резкая. На высоте 10 м в песчанике залегает слой галечника. Такая кровля считается весьма устойчивой и не требующей сколько-нибудь серьезного крепления.

При проведении ССП обе эти границы подтвердились. Как на высоте 17 м¹ , так и на высоте 10 м есть экстремумы, подтверждающие наличие выявленных бурением границ.

Экстремум на высоте 10 м имеет меньшую амплитуду (а амплитуды эти как раз и имеют смысл добротности), чем на высоте 17 м. Это естественно, так как галечник довольно слабо проявляется как граница. То есть прочность керна в зоне галечника выше, чем на границе между песчаником и песчанистым сланцем² .

Рис. 1

Однако, как видим, на ССП-разрезе существует еще множество острых экстремумов на весьма незначительных высотах. Согласно этому, в песчанике начиная с высоты, меньшей, чем 1 м, присутствует множество резких границ, количество которых изменяется по длине профиля. Наличие этих границ, добротность которых весьма значительна, и достигает значения, равного 30, безусловно свидетельствует о том, что кровлю ни в коем случае нельзя относить к монолитной, а следовательно, устойчивой. В самом деле, метровый слой даже очень прочного песчаника – весьма ненадежного перекрытие. Особенно в условиях шахты, где постоянно идут промышленные взрывы и прочие динамические воздействия.

Естественно, не может не возникнуть вопрос, почему эти границы на малых, самых существенных для оценки устойчивости высотах, не были выявлены бурением. Как оказалось в дальнейшем, в результате анализа обрушившихся пород кровли, границы на малых высотах были обусловлены наличием углистых сверхтонких прослоев. С помощью бурения такие границы определить нельзя, так как керн при их пересечении ломается, а поскольку бурение идет с промывкой, то следы угля на изломах керна вымываются промывочной жидкостью.

Когда породы кровли такого типа, называемые труднообрушаемыми, все-таки обрушаются, это происходит, как правило, очень бурно, с мощными звуковыми эффектами. И поскольку происходит это всегда внезапно и неожиданно, то объясняется именно высвобождением энергии, запасенной в породах, находящихся в напряженном состоянии. Что выглядит особенно убедительно, если выработка находится на большой глубине. Однако если обладать информацией о том, что песчаник на самом деле не монолитен, а мелкослоист, с обилием углистых прослоев, то обрушение таких пород просто под собственным весом представляется совершенно логичным. А главное, прогнозируемым.

Однако сам факт слоистости пород кровли, обнаруженный с помощью метода ССП, позволяет лишь предположить механизм обрушения кровли, но не приближает нас к решению проблемы прогнозирования этого геодинамического явления. Поскольку прогнозирование – это процесс наблюдения развития событий, подготавливающих прогнозируемое явление, то в данном случае было необходимо осуществление мониторинга при наблюдении состояния кровли методом ССП.

Такой мониторинг был осуществлен [4] в одной из выработок шахты "Распадская", в течение двух лет, от момента ее проходки и до погашения. При этом в ходе мониторинга было видно, как процесс отслоения пород кровли под собственным весом распространялся снизу вверх, а затем, сверху вниз пошел процесс провисания породных слоев. Обрушение кровли произошло в тот момент, когда наибольшее отслоение пород было на высоте 10м, а нижние слои были прижаты друг к другу сильно провисшими верхними слоями.

Теперь, когда процесс подготовки обрушения кровли оказался прослеженным сначала до конца, и, таким образом, физика обрушения стала предельно ясна, уже нет необходимости в проведении мониторинга. В конце концов, когда речь идет о безопасности шахтеров, никого не интересует точное время обрушения пород кровли: главное заключается в том, чтобы оценить вероятный характер обрушения, и тем самым обосновать систему крепления выработки. А это мы получим и при единичном ССП-измерении.

Действительно, если породы кровли мелкослоисты, то обрушение их будет происходить в виде высыпания, и следовательно, в штреках такая кровля должна быть затянута сеткой, а в очистных забоях нужно следить, чтобы площадь обнажения кровли была нулевой. Если при высокой прочности пород кровли наличие ближайших к поверхности обнажения поверхностей ОМК наблюдается на глубинах, скажем, 2-3 метра, то это крайне опасный случай. Излом такой 2-3-метровой "доски" происходит всегда неожиданно и создает повышенные нагрузки на крепь. Применение методики прогноза устойчивости кровли³ , основанной на использовании метода ССП, позволяло осуществлять оптимальный выбор паспорта крепи, что является главным фактором при обеспечении безопасности в угольных шахтах.

Наблюдение за характером обрушения пород кровли в максимально широком диапазоне геологических и технологических условий, и при этом, во всех угольных регионах СССР, показало, что описанный выше подход к прогнозированию устойчивости подземной выработки является надежным и почти универсальным. Почти - потому что в некоторых, правда, очень редких случаях даже монолитные и очень прочные породы не являются устойчивыми. В этих случаях прочные породы кровли при обрушении бывают разрушены как бы на плиточки. Каждая плиточка – очень прочная, между ними нет никакого постороннего материала, и длительное время было непонятно, почему эти прочные породы оказываются разрушенными таким образом.

Разгадка пришла, когда мы научились выявлять зоны тектонических нарушений. Как оказалось, в зонах тектонических нарушений весь породный столб, находящийся непосредственно над разрывным тектоническим нарушением находится в состоянии повышенной нарушенности. Для слабых пород такая нарушенность проявляется тем, что они представляют собой как бы спрессованный песок. Прочные же песчаники разрушаются в совокупность таких вот плиточек.

Таким образом, полный надежный прогноз и оценка устойчивости пород кровли должны осуществляться с помощью двух исследований – определением слоистости пород и выявлением зон тектонических нарушений. Как то, так и другое осуществляется методом ССП. Однако если слоистость пород определяется из горных выработок, то зоны тектонических нарушений наиболее полно выявляются при работе на дневной поверхности.

Признаком тектонического нарушения является наличие воронкообразного объекта на ССП-разрезе.

Прежде чем перейти к другим геодинамическим явлениям, остановимся на физическом смысле добротности.

Вспомним классический пример разрушения моста в результате того, что проходившие по нему солдаты шли в ногу. При анализе этого происшествия прочность моста никого не интересует. Главное – в величине добротности моста как колебательной системы. Каждый удар каблуками вызывает собственные затухающие колебания моста. Если скорость затухания этих колебаний мала, то каждый последующий удар будет происходить в момент, когда уже возникшие колебания еще не затухли. И при соответствующем соотношении собственной частоты моста и частоты шагов может начаться рост амплитуды колебаний. Это явление резонанса (то есть совпадения собственной частоты с частотой воздействия) хорошо изучено, в частности, в электротехнике и легко моделируется. Чем меньше скорость затухания, тем острее резонанс, то есть тем быстрее идет наращивание амплитуды. Добротность Q обратно пропорциональна скорости затухания, и оперировать ею удобно потому, что она легко выявляется при спектральном изображении сигнала. Численное значение добротности показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда колебаний на резонансе.

При проведении ССП по дневной поверхности было замечено, что наибольшая добротность сигнала наблюдается обычно в зонах тектонических нарушений, вблизи самого острия воронкообразного объекта [5]. На рис. 2а приведен ССП-разрез, полученный при профилировании вдоль западной границы территории, отведенной под Северные очистные сооружения в Ольгино (СПб). Здесь отчетливо виден воронкообразный объект, как известно [6], соответствующий наличию тектонического нарушения. По мере приближения к острию этого объекта добротность сейсмосигнала возрастает, достигая на 170-м метре профиля, на частоте, соответствующей глубине 180 м, значения, равного 60.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--