Обоснование и разработка резонансно-акустического метода оценки плотностного разреза пород кровли горных выработок

Прогноз и обеспечение устойчивости кровли горных выработок являются одной из приоритетных задач геомеханики и во многом определяют эффективность и безопасность добычи полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений.

Необходимым условием успешного решения этой задачи является наличие надежной информации о плотностном разрезе пород основной и непосредственной кровли и положении границ раздела составляющих их отдельных литологических слоев.

Получение указанной информации с использованием кернового бурения или геофизических исследований скважин чрезвычайно трудоемко, затратно и сопряжено с привнесением дополнительной нарушенности приконтурного массива. Более экономична структурная диагностика пород кровли на основе резонансного акустического метода (РАМ) геоконтроля, предполагающего спектральный анализ отклика объекта исследований на механическое импульсное воздействие. Этот метод зарекомендовал себя как эффективный инструмент выявления границ слоев с разной акустической жесткостью, но в рамках своей традиционной реализации не позволяет хотя бы приблизительно оценить плотность горных пород и степень её изменчивости в пределах каждого слоя. Отмеченное предопределяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение информативности резонансно-акустического контроля кровли горных выработок за счет получения данных о её плотностном разрезе.

Исследования, представленные в работе, проводились при поддержке фонда «Ведущие научные школы России» (грант № НШ-1467.2003.5), а также в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры и свойств горных пород на основе принципов акустической эхоскопии» в соответствии с планом НИР МГГУ, проводимых в 2002;2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (№ государственной регистрации 1 200 304 882).

Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном изучении закономерностей отклика слоистой геологической среды на импульсное механическое воздействие для разработки резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего наряду с выявлением границ структурных неоднородностей возможность построения плотностного разреза исследуемой области в кровле горных выработок.

Идея работы состоит в использовании спектрального представления акустического отклика слоистого массива горных пород на механическое импульсное воздействие для получения информации о плотностном разрезе указанного массива.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности отклика слоистой геологической среды на механическое импульсное воздействие определяются параметрами её скоростного и плотностного разреза, что отражает разработанная теоретическая модель резонансно-акустического метода структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок.

2. Расчетный плотностной разрез массива в окрестностях горных выработок может быть построен на основании Фурье-преобразования его отклика на механическое импульсное воздействие, а также априорной информации о скоростном разрезе, либо об усредненных скоростях распространения упругих волн по глубине.

3. Разработанные математический метод и алгоритм решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающие устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения, а также соответствующее программное обеспечение позволяют реализовать этот метод в рамках геоинформационной системы получения данных о строении и плотностном разрезе геологической среды в окрестностях горных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: качественным совпадением зависимостей информативных параметров акустического отклика объекта контроля на импульсное механическое воздействие, прогнозируемых на основе разработанной теоретической модели и полученных в результате экспериментальных исследованийхорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров резонансно-акустического метода контроля с искомыми структурными неоднородностями и их плотностью при многократных (более десяти) измерениях в ходе лабораторных и натурных экспериментов в одинаковых условияхудовлетворительной сходимостью (с погрешностью, не превышающей 15%) результатов определения границ структурных неоднородностей и плотностного разреза геологических объектов, полученных предлагаемым методом в натурных условиях и по результатам кернового анализа;

Научная новизна работы заключается: в разработке эффективной теоретической модели, устанавливающей взаимосвязь между амплитудно-частотным спектром акустического отклика слоистого геологического объекта на механическое импульсное воздействие, с одной стороны, и плотностным разрезом этого объекта, с другой. в разработке математического метода решения одномерной обратной геофизической задачи с применением прямого и обратного преобразования Фурье, обеспечивающего устойчивость вычислений за счет введения параметра регуляризации и задания интервала поиска решения.

Научное значение работы заключается в обосновании резонансно-акустического метода геоконтроля, обеспечивающего дистанционную оценку плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики изучения плотностного разреза массива в окрестностях горных выработок на основе резонансно-акустических измерений, а также программного комплекса «Система информационного обеспечения акустических исследований строения и плотностного разреза массива горных пород в окрестностях горных выработок „INPUT-INVERSE56“», (свидетельство о государственной регистрации № 2 008 612 488 от 20.05.2008 г.).

Реализация результатов работы. Разработанная на основе исследований автора «Методика изучения плотностного разреза пород кровли горных выработок с использованием резонансно-акустических измерений» передана в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», НИЦ «Тоннели и метрополитены» (Филиал ОАО ЦНИИС), в ЗАО Управляющая компания «Межрегиональный союз строителей», в ИПКОН РАН и в ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для практического использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XYI научной сессии Российского акустического общества (Москва, 2005 г.) и научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, Москва, 2007, 2008 гг.). Отдельные элементы работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ (Москва, 2001), где были отмечены медалью «За лучшую научную студенческую работу» .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 125 страницах, содержит 31 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 80 наименований.

4.4. Выводы по главе.

1. Экспериментальные исследования, проведенные на натурных объектах, показали перспективность предложенной модификации резонансно-акустического метода оценки структуры и свойств массива в окрестностях горных выработок при проведении измерений непосредственно из выработок с односторонним доступом к объекту контроля.

2. Выполненные исследования показали, что использование предлагаемого алгоритма обработки и интерпретации результатов измерений по традиционным схемам позволяет существенно повысить информативность контроля за счет получения информации не только о наличии границ внутри массива, но и оценить степень неоднородности внутри слоев на основании плотностного разреза.

3. Проведенные исследования показали перспективность выполнения измерений резонансно-акустическим методом с дневной поверхности для решения широкого круга инженерно-геологических задач, связанных с проведением выработок и строительством подземных сооружений в сложных городских условиях. В частности, результаты, полученные при строительстве метрополитена, показали возможность построения плотностного разреза с погрешностью, не превышающей 15% по сравнению с результатами кернового бурения. N.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе теоретических и экспериментальных исследований решена задача установления взаимосвязей между параметрами плотностного разреза слоистой геологической среды и спектральными характеристиками её отклика на механическое импульсное воздействие, а также разработки на этой основе метода структурной диагностики кровли горных выработок, что имеет существенное значение для повышения качества информационного обеспечения прогноза и поддержания их устойчивости.

Основные полученные лично автором научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

• Разработана теоретическая модель резонансно-акустического метода геоконтроля, учитывающая взаимосвязь спектрального отклика геологической среды на импульсное механическое воздействие и параметров её плотностного и скоростного разреза.

• Обоснован математический метод и алгоритм решения обратной геофизической задачи, обеспечивающие устойчивость вычислений при оценке плотностного разреза резонансно-акустическим методом. Разработано программное обеспечение, позволяющее реализовать указанный метод и получить оценочные данные о плотностном разрезе в рамках геоинформационной системы структурной диагностики массива в процессе строительства и эксплуатации подземных сооружений.

• С использованием предложенной теоретической модели проведено численное моделирование, позволившее изучить особенности спектрального отклика слоистой геологической среды на импульсное механическое воздействие и установить наличие взаимосвязи этого отклика с искомым плотностным разрезом.

• Проведено физическое моделирование резонансно-акустического метода на разномасштабных слоистых моделях, отличающихся числом и физико-механическими свойствами материала слоев, которое подтвердило результаты теоретических исследований.

• Осуществлена экспериментальная проверка работоспособности резонансно-акустического метода оценки плотностного разреза пород кровли подготовительных выработок при реализации контроля непосредственно в шахтных условиях, а также плотностного разреза слоистого массива на участке строящейся линии метрополитена при реализации контроля с земной поверхности.

• На основе полученных результатов обоснована методика изучения плотностного разреза пород кровли горных выработок с использованием резонансно-акустических измерений.