Моделирование геомеханических процессов при обрушении пород кровли

Внедрение: 2017 г.

Один из важных динамических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых – это обрушения основной кровли при отработке угольных месторождений длинными столбами. В проведенной работе исследовался процесс обрушения кровли при отработке сближенных пластов с помощью физического моделирования.

В качестве реального объекта для физического моделирования авторами работы [1] была выбрана шахта Талдинская Западная‑1 Киселевского сегмента актива СУЭК Кузбасс. При этом в масштабе 1:87 моделировалась отработка одного из двух сближенных угольных пластов, залегающих на глубине 400‑420 м, с полным обрушением кровли. Параметры моделируемого горного массива и расчетные параметры модели соответствовали типовым условиям на передовых шахтах Кузнецкого бассейна.

Для анализа закономерностей развития акустической эмиссии и процессов макроразрушения выбран процесс при первом обрушении кровли нижнего пласта. На рисунке 1 (до обрушения) приведена схема модели с расположенными в ней акустическими датчиками GT‑300 (обозначены АД1‑АД5), подключенными к модулям АЦП LTR22 с частотой дискретизации 70 кГц.

Рисунок 1. Схема расположения акустических датчиков в модели до первого обрушения кровли. АД1‑АД3 – датчики в кровле нижнего пласта, АД4‑АД5 – в кровле верхнего пласта.	Рисунок 2. Схема расположения трещин в модели, зарегистрированных акустическими датчиками в момент времени t = 0,02 сек (Т1‑Т4 – условные обозначения трещин).

Для детального анализа прохождения акустических колебаний было выбрано время t = 0,02 сек. Картина трещинообразования, соответствующая этому моменту, приведена на рисунке 2, на котором обозначены основные трещины, образовывающиеся при обрушении модели (T1‑T4).

Фиксация процессов трещинообразования производилась с помощью скоростной камеры NAC HX‑3 со скоростью съемки 5000 кадров/сек. Проведённая синхронизация показаний между скоростным видеорегистратором и информационно-измерительной системой на базе крейта LTR с модулями LTR22 позволила установить временные интервалы между временем возникновения отдельных трещин (t = 0) и временем прихода акустической волны к акустическим датчикам. Непосредственные наблюдения за исследуемым процессом показывают, что в начале произошло обрушение непосредственной кровли, затем образования трещин Т1 и Т2 (рисунок 2) в кровле верхнего пласта и T3, Т4 в междупластии угольных пластов.

Пример выходного сигнала с датчика АД2 показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Выходной сигнал с датчика АД2 (t0 – время прихода акустической волны к датчику, t2 – время максимума волны).	Рисунок 4. Обобщенный график времени прихода и максимума акустической волны к различным датчикам (t0 – время прихода акустической волны к датчику, timax – время прихода максимума волны).

Анализ результатов проведённых исследований позволил, в частности, авторам сделать вывод о том, что акустические датчики GT‑300 и информационно-измерительная система на основе Установки измерительной LTR обеспечивают получение информации об интенсивности акустических сигналов и о времени прохождения акустических колебаний через различные участки модели. Полученные результаты исследований позволяют рассчитывать на расширение возможностей сейсмоакустического мониторинга динамических процессов при отработке угольных и рудных месторождений.

Источник:
Зуев Б.Ю., Цирель С.В., Мельницкая М.Е., Истомин Р.И. Физическое моделирование геомеханических процессов при обрушении пород кровли // Маркшейдерский вестник. – 2017. – № 3 (118). – С. 56‑60.

Разработчик: Зуев Б.Ю., Цирель С.В., Мельницкая М.Е., Истомин Р.И. (Центр геомеханики и проблем горного производства, СПГУ, СПб)