Определение условий контакта угольного пласта с горной породой акустическим методом

Внедрение: 2018 г.

В статье [1] ученых из института проблем комплексного освоения недр описывается разработанный авторами акустический метод определения условий контакта угольного пласта с вмещающими породами на основе решения краевой обратной задачи. Обоснование применимости метода выполнено с помощью физического моделирования, при котором образцы из модельного материала подвергались пошаговому одноосному нагружению с одновременным ультразвуковым зондированием по многоканальной схеме с применением модулей АЦП E20‑10. 

По результатам зондирования с помощью томографической обработки реконструировано распределение скоростей в заданной области образца. 

В ходе основных экспериментов прямоугольный образец подвергался механическому нагружению вдоль оси Y с помощью загрузочной машины GT 2.0.8‑2. В этом случае для имитации зон с низким коэффициентом трения на местах контакта образца с нагрузочными пластинами Р₁ и Р₂ устанавливаются специальные прокладки l (рисунок 1). На вертикальных поверхностях пластины были зафиксированы двенадцать акустических пьезоэлектрических преобразователей S₁, ...S₁₂ (резонансная частота 100 кГц). Эти датчики могут функционировать как приемники или излучатели. Сигналы регистрировались с помощью АЦП E20‑10 с частотой дискретизации 5 МГц. 

На каждом этапе нагружения для определения скорости продольных волн использовался ультразвуковой времяимпульсный метод с дефектоскопом UD2M-PN. 

Рисунок. 1. Общий вид лабораторной установки (а) и схемы нагружения (b) (Р₁, Р₂ - стальные пластины, S_i‑акустические преобразователи, I – освещенная область, l – длина зон пониженного трения.

Образец загружали дискретно с шагом 2 МПа. На каждом этапе нагружения проводилось зондирование: преобразователь S_m генерировал импульс, который принимался шестью приемниками на противоположном конце. Абсолютная точность регистрации первого прихода Р‑волны составила 0,2 мкс.

Томографирование образца проводили с использованием оригинальной итерационной процедуры. На рисунке 1 выделена область I для выбранной системы наблюдения. На рисунке 2 показаны продольные распределения скоростей V(x, y) в области I при различных условиях контакта нагружающего устройства с образцом и величине вертикальной нагрузки P.

Рисунок 2. Линии уровня скорости продольных волн V (м/с) в образце, реконструированные в результате томографии: P = 6 мПа, l = 0 (а); P = 6 мПа, l = 25 мм (b).

Основная причина асимметрии изолиний заключается в хаотическом расположении агрегатных частиц в матрице образца. В качестве примера на рисунке 3 приведены кривые напряжений в горизонтальном сечении y = y₀, найденные с помощью томографии скорости V (рисунок 2) для различных значений P и условий контакта.

Рисунок 3. Среднее нормальное напряжение σ через x в поперечном сечении y = y₀ (y₀ = 0.2Y, положительные значения соответствуют сжатию).

На рисунке 4 приведены результаты решения обратной задачи: распределение касательных напряжений F (x) на верхней границе образца при различной нагрузке и условиях контакта. 

Рисунок 4. Напряжения σ_xy  на границе y = 0, полученные при решении обратной задачи. Сплошные линии соответствуют l = 25 мм, пунктирные – l = 0.

На рисунке 5 показаны изолинии горизонтальных напряжений σ_xx . Оказалось, что если поверхность образца и загрузочная плита (в реальных условиях – угольный пласт и вмещающие породы) имеют хорошую адгезию, то в центральной части имеется обширная зона горизонтальных растягивающих напряжений. Напряжение в этой зоне незначительно (около 0,02 Р) и не превышает предел прочности для угля даже при P = 25‑30 МПа (что соответствует литостатическому давлению на глубине 1 км).
Если края горизонтальных границ представляют собой области проскальзывания, то в их окрестности возникают области горизонтальных напряжений, достигающих 0,8 P. Эти области будут наиболее вероятными очагами разрушения и внезапных всплесков.

Рисунок 5. Изолинии горизонтальных напряжений σ_xx для различных размеров зон скольжения: l = 0 (а); l = 25 мм (b).

Данный метод может быть использован для реконструкции напряженно-деформированного состояния горного массива, изменяющегося в процессе разработки запасов, а также для получения информации о геологических условиях залегания угольных пластов, необходимой для прогнозирования выбросоопасности.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект № 16‑17‑00029.

Источник:
Shkuratnik V., Nikolenko P., Nazarova and Nazarov L. Experimental substantiation of acoustic method for determination of “coal bed - country rock” contact relations based on boundary inverse problem solution // VII International Scientifc Conference “Problems of Complex Development of Georesources”. 2018. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20185602009.

Разработчик: Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Назарова Л.А., Назаров Л.А. (Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва)