gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2025-11-1058gscience-1058Research ArticleMINING ROCK PROPERTIES. ROCK MECHANICS AND GEOPHYSICSСВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. ГЕОМЕХАНИКА И ГЕОФИЗИКАMeasurement of the attenuation coefficient of acoustic signals generated by an operating roadheader in a coal mineИзмерение коэффициента затухания акустического излучения от работающего проходческого комбайна в угольной шахтеhttps://orcid.org/0009-0006-1891-3328ШадринА. В.ShadrinA. V.

Александр Васильевич Шадрин – доктор технических наук, главный научный сотрудник

г. Кемерово

ScopusID 56234018500

ResearcherID AAC-9483-2022

SPIN-код 5206-4952

Aleksandr V. Shadrin – Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

Kemerovo

Scopus ID 56234018500

ResearcherID AAC-9483-2022

SPIN 5206-4952

avsh-357@mail.ruФедеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАНРоссияFederal Research Center of Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (FRC CCC SB RAS)Russian Federation202616072026112169179Copyright © Shadrin A.V., 20262026Шадрин А.В.Shadrin A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/1058

This study is motivated by the need to improve the reliability of predictions of gasogeodynamic phenomena (GGP) in coal mines by refining acoustic prediction methods. This requires methods for determining the key parameters governing acoustic-wave propagation through the coal-rock mass, including the acoustic attenuation coefficient. The objective was to justify an algorithm for measuring the acoustic attenuation coefficient under mine conditions over the frequency range used for GGP prediction. To this end, the noise spectrum generated by an operating roadheader was recorded at a Kuzbass mine using the multichannel Mikon-GEO system and geophones installed 11, 21, 31, 47.7, 57.7, and 67.7 m from the roadway face. The results showed that, owing to interference among longitudinal and shear waves and waves reflected from the coal seam-host rock interfaces, the attenuation coefficient calculated from a line spectrum by summing harmonic amplitudes within 20-Hz frequency windows did not increase linearly with frequency, as expected for an unbounded homogeneous solid, but instead varied nonmonotonically. This introduces errors into rock-mass stress estimates obtained using methods based on spectral analysis of noise generated by operating mining equipment. To eliminate this source of error, it was proposed that the attenuation coefficient be determined after summing the harmonic amplitudes within frequency windows at least 200 Hz wide. It was also proposed that the averaging time for the amplitudes of the spectral components correspond to the roadheader operating interval between successive stoppages for roadway support installation. Under the experimental conditions, this approach produced a linear increase in the acoustic attenuation coefficient over the extrapolated frequency range of 0–700 Hz, with a coefficient of determination of 0.997.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью повышения достоверности прогноза геогазодинамических явлений в угольных шахтах акустическими методами путем их совершенствования. Для этого необходимы методы определения основных параметров, определяющих распространение акустических волн по углепородному массиву. К их числу относится коэффициент затухания звука. Цель: обосновать алгоритм измерения в шахтных условиях коэффициента затухания акустического излучения в диапазоне частот, используемом для прогноза ГДЯ. Для достижения указанной цели на одной из шахт Кузбасса с помощью многоканальной аппаратуры Микон-ГЕО регистрировался спектр «шума» работающего проходческого комбайна сейсмоприемниками, установленными на расстоянии соответственно 11; 21; 31; 47,7; 57,7 и 67,7 м от забоя выработки. Установлено, что благодаря интерференции продольной и поперечной волн и их отражений от границ раздела угольного пласта и вмещающих пород зависимость коэффициента затухания звука линейчатого спектра с окном суммирования гармоник в 20 Гц не возрастает линейно с частотой, как это имеет место в однородном твердом теле безграничных размеров, а приобретает немонотонный характер. Это приводит к погрешности оценки напряженного состояния массива методами, основанными на спектральном анализе шума работающего горного оборудования. Для устранения указанного недостатка предложено определять коэффициент затухания в частотных окнах, соответствующих одной гармонике, равных не менее чем 200 Гц. Причем время усреднения амплитуд спектральных составляющих предложено брать равным интервалу между циклами остановки комбайна для крепления бортов выработки. Для условий эксперимента это позволило получить линейный характер возрастания коэффициента затухания звука в экстраполированном диапазоне частот 0–700 Гц с коэффициентом детерминации 0,997.

геогазодинамические явлениятекущий прогнозкритерий опасностиакустическое излучениеалгоритм определениякоэффициент затуханияинтерференция волнспектральный анализвременное окночастотное окноgasogeodynamic phenomenaoperational predictionhazard criterionacoustic signalsattenuation coefficientdetermination algorithmwave interferencespectral analysistime windowfrequency windowРабота выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» проект FWEZ-2026-0002 «Разработка методов комбинированного применения геофизических систем прогноза, контроля и управления состоянием горного массива, а также технологий предотвращения газодинамических явлений и мониторинга проведенных мероприятий по их реализации» (рег. № 1023032200092-2-1.5.1;2.7.5).This work was carried out under the State Assignment of the Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Project FWEZ-2026-0002, “Development of methods for the combined use of geophysical systems to predict, monitor, and control the state of the rock mass, as well as technologies for preventing gas-dynamic phenomena and monitoring the measures undertaken to implement these technologies” (registration No. 1023032200092-2-1.5.1;2.7.5).ReferencesАзаров Н. Я., Яковлев Д. В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. М.: Недра; 1999. 199 с.Azarov N. Ya., Yakovlev D. V. Seismoacoustic method for predicting mining and geological conditions of coal deposit exploitation. Moscow: Nedra; 1999. 199 p. (In Russ.)Писецкий В. Б., Лапин С. Э. Прогноз опасных геодинамических явлений в процессе ведения подземных горных работ. Екатеринбург: ООО «Ингортех»; 2025. 112 с.Pisetsky V. B., Lapin S. E. Forecast of hazardous geodynamic phenomena in the course of underground mining operations. Ekaterinburg: Ingortech LLC; 2025. 112 p. (In Russ.)Тайлаков О. В., Уткаев Е. А., Соколов С. В. Особенности применения акустических методов контроля состояния углепородного массива в условиях действующей угольной шахты. Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2025;(2):27–33. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2025.73.38.003Tailakov O. V., Utkaev E. A., Sokolov S. V. Features of the application of acoustic methods for moni¬toring the condition of a carboniferous massif in an operating coal mine. Bulletin of Scientific Center VostNII for Industrial and Environmental Safety. 2025;(2):27–33. (In Russ.) https://doi.org/10.25558/ VOSTNII.2025.73.38.003Шадрин А. В., Зыков В. С. Акустическая эмиссия выбросоопасных пластов. М.: ЦНИЭИуголь; 1991. 43 с.Shadrin A. V., Zykov V. S. Acoustic emission of outburst-prone coal seams. Moscow: TsNIEIugol; 1991. 43 p. (In Russ.)Разумов Е. Е., Простов С. М., Мулев С. Н., Рукавишников Г. Д. Алгоритмы обработки сейсмической информации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(2):17–19. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_2_0_17Razumov E. E., Prostov S. M., Mulev S. N., Rukavishnikov G. D. Seismic information processing algo¬rithms. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(2):17–19. (In Russ.) https://doi.org/10.2501 8/0236_1493_2022_2_0_17Lei Y., Wen Z., Wang L. et al. Deterministic cascade evolution in coal and gas outbursts: From early acoustic signatures to system-wide failure. International Journal of Mining Science and Technology. 2025;35(6):975–987. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2025.05.003Lei Y., Wen Z., Wang L. et al. Deterministic cascade evolution in coal and gas outbursts: From early acoustic signatures to system-wide failure. International Journal of Mining Science and Technology. 2025;35(6):975–987. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2025.05.003Горбачев А. С., Шилов В. И. Аппаратно-программное обеспечение акустических зондирований. Безопасность труда в промышленности. 2022;(3):20–25. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022- 3-20-25Gorbachev A. S., Shilov V. I. Hardware and software for acoustic sounding. Occupational Safety in Industry. 2022;(3):20–25. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022-3-20-25Шадрин А. В. Сущность методов прогноза выбросоопасности угля, основанных на спектральном анализе «шума» работающего оборудования. Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2024;(1):5–17. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2024.76.26.001Shadrin A. V. Essence of coal emission hazard prediction methods based on spectral analysis of “noise” of operating equipment. Bulletin of Scientific Center VostNII for Industrial and Environmental Safety. 2024;(1):5–17. (In Russ.) https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2024.76.26.001Горбачев А. С., Шилов В. И., Шилов Д. А. Параметры искусственного акустического сигнала в слоистом массиве. Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2025;(2):13–26. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2025.34.10.002Gorbachev A. S., Shilov V. I., Shilov D. A. Parameters of artificial acoustic signal in layered massif. Bulletin of Scientific Center VostNII for Industrial and Environmental Safety. 2025;(2):13–26. (In Russ.) https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2025.34.10.002Романов В. В., Мальский К. С., Посеренин А. И., Дронов А. Н. Определение затухания сейсмических волн в приповерхностной толще горных выработок. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(1):110–116. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-1-0-110-116Romanov V. V., Malskiy K. S., Poserenin A. I., Dronov A. N. Determination of seismic wave attenua¬tion in rocks surrounding underground excavations. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(1):110–116. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-1-0-110-116Добрынина А. А., Альбари Ж., Дешамп А. и др. Затухание сейсмических волн в литосфере Северо-Танзанийской дивергентной зоны (Восточно-Африканская рифтовая система). Геология и геофизика. 2017;58(2):308–322. https://doi.org/10.15372/GiG20170209 (Перев. вер.: Dobrynina A. A., San’kov V. A., Albaric J. et al. Seismic wave attenuation in the lithosphere of the north tanzanian divergence zone (East African rift system). Russian Geology and Geophysics. 2017;58(2):253–265. https://doi. org/10.1016/j.rgg.2016.03.016)Dobrynina A. A., San’kov V. A., Albaric J. et al. Seismic wave attenuation in the lithosphere of the north tanzanian divergence zone (East African rift system). Russian Geology and Geophys¬ics. 2017;58(2):253–265. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.03.016 (Orig. ver.: Dobrynina A. A., San’kov V. A., Albaric J. et al. Seismic wave attenuation in the lithosphere of the north tanzani¬an divergence zone (East African rift system). Geologiya i Geofizika. 2017;58(2):308–322. (In Russ.) https://doi.org/10.15372/GiG20170209)Салюков В. С., Куткин Я. О., Вознесенский А. С. Метод экспериментального определения коэффициента затухания в образцах горных пород различных типов и генезиса. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2025;(3):15–24. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20250302 (Перев. вер.: Salyukov V. S., Kutkin Ya. O., Voznesenskii A. S. Experimental determination of dissipation factor in rock samples of different types and genesis. Journal of Mining Science. 2025;61(3):356–364. https://doi.org/10.1134/S1062739125030020)Salyukov V. S., Kutkin Ya. O., Voznesenskii A. S. Experimental determination of dissipation factor in rock samples of different types and genesis. Journal of Mining Science. 2025;61(3):356–364. https:// doi.org/10.1134/S1062739125030020 (Orig. ver.: Salyukov V. S., Kutkin Ya. O., Voznesenskii A. S. Experimental determination of dissipation factor in rock samples of different types and genesis. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 2025;(3):15–24. (In Russ.) https:// doi.org/10.15372/FTPRPI20250302)Иванов П. Н., Безруков В. И. Экспериментальное исследование упругих свойств углей различной степени тектонической нарушенности методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(4–1):26–40. https://doi.org/10.25018/0236_1493_202 1_41_0_26Ivanov P. N., Bezrukov V. I. Experimental study of elastic properties of coals of various degrees of tectonic disturbance by laser-ultrasonic spectroscopy. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(4–1):26–40. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_41_0_26Глушко В. Т., Ямщиков В. С., Яланский А. А. Геофизический контроль в угольных шахтах. Киев: Наукова думка; 1978. 224 с.Glushko V. T., Yamshchykov V. S., Yalansky A. A. Geophysical control in coal mines. Kyiv: Naukova Dumka; 1978. 224 p. (In Russ.)Горная энциклопедия. В 5 т. Т. 1. Гл. ред. Е. А. Козловский; Ред. кол. М. И. Агошков, Н. К. Байбаков, А. С. Болдырев и др. М.: Советская энциклопедия; 1984. С. 83.Kozlovsky E. A. (Ed.) Mining encyclopedia. In 5 vols. Vol. 1. Moscow: Soviet Encyclopedia; 1984. P. 83. (In Russ.)Чабан И. А. Затухание звука в грунтах и горных породах. Акустический журнал. 1993;39(2):362–369.Chaban I. A. Sound attenuation in soils and rocks. Acoustical Physics. 1993;39(2):362–369. (In Russ.)Ноздрев В. Ф. Молекулярная акустика. М.: Высшая школа; 1974. 288 с.Nozdrev V. F. Molecular acoustics. Moscow: Vysshaya shkola; 1974. 288 p. (In Russ.)Новик Г. Я., Ржевская С. В. Физико-техническое обеспечение горного производства. М.: Недра, 1995. 256 с.Novik G. Ya., Rzhevskaya S. V. Physical and technical support of mining production. Moscow: Nedra; 1995. 256 p. (In Russ.)Зацепин А. Ф. Акустический контроль. В 2 ч. Ч 1. Введение в физику акустического контроля. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ; 2005. 88 с.Zatsepin A. F. Acoustic control. In 2 parts. Part 1. Introduction to the physics of acoustic control. Yekaterinburg: GOU VPO UGTU-UPI; 2005. 88 p. (In Russ.)Wojtecki Ł., Kurzeja J., Knopik M., The influence of mining factors on seismic activity during longwall mining of a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology. 2021;31(2):429–437. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2021.01.010Wojtecki Ł., Kurzeja J., Knopik M., The influence of mining factors on seismic activity during longwall mining of a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology. 2021;31(2):429–437. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2021.01.010Pan Y., Lin S., Yang D. et al. A review of influencing factors on teleseismic treveltime tomography. Earthquake Science. 2023;36(3):228–253. https://doi.org/10.1016/j.egs.2022.16.006Pan Y., Lin S., Yang D. et al. A review of influencing factors on teleseismic treveltime tomography. Earthquake Science. 2023;36(3):228–253. https://doi.org/10.1016/j.egs.2022.16.006Jiao Y. Y., Wu K., Zou J. et al. On the strong earth-quakes induced by deep coal mining under thick strata – a case study. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2021;7:97. https://doi. org/10.1007/s40948-021-00301-1Jiao Y. Y., Wu K., Zou J. et al. On the strong earth-quakes induced by deep coal mining under thick strata – a case study. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2021;7:97. https://doi.org/10.1007/s40948-021-00301-1Шевченко Ю. В., Яковенко Ю. В. Класс землетрясений по коде. Вулканология и сейсмология. 2020;(2):69–78. https://doi.org/10.31857/S0203030620020078 (Перев. вер.: Shevchenko Y. V., Yakovenko V. V. The coda-based earthquake energy class. Journal of Volcanology and Seismology. 2020;14(2):127–135. https://doi.org/10.1134/S0742046320020074)Shevchenko Y. V., Yakovenko V. V. The coda-based earthquake energy class. Journal of Volcanology and Seismology. 2020;14(2):127–135. https://doi.org/10.1134/S0742046320020074 (Orig. ver.: Shevchenko Y. V., Yakovenko V. V. The coda-based earthquake energy class. Vulkanologiya i Sejsmologiya. 2020;(2):69–78. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0203030620020078)Захаров В. Н., Гуляев П. Н., Харченко А. В. Исследование акусто-вибрационных процессов углепородного массива в зонах ведения горных работ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005;(6):69–74.Zakharov V. N., Gulyaev P. N., Kharchenko A. V. Investigation of acoustic-vibration processes of the coal-rock mass in mining zones. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2005;(6):69–74. (In Russ.)Шадрин А. В., Шнайдер И. В. Влияние удаления сейсмоприемника от забоя выработки на спектр акустического излучения комбайна при прогнозе динамических явлений. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2025;(1):722–737.Shadrin A. V., Shnayder I. V. The influence of removing the seismic receiver from the face of the mine plane on the acoustic radiation spectrum of the combine when the forecast of dynamic phenomena. News of the Tula State University. Sciences of Earth. 2025;(1):722–737. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.