Спосіб прогнозу проривів метану з грунту гірничих виробок

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для текущего прогноза внезапных прорывов метана из почвы подготовительных и очистных горных выработок. Известен способ прогноза прорывов метана из почвы горной выработки, основанный на теоретическом расчете ситуации в горной выработке. Для его реализации необходимо знание геологического строения пород почвы, прочностные характеристики каждого слоя пород и другие их параметры. В результате расчета горная выработка в целом относится к опасным или неопасным по прорывам метана (Инструкция по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов метана из почвы горных выработок. Макеевка, 1977). Известный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, вследствие невозможности с достаточной детальностью определить геологический разрез пород почвы, их прочностные свойства и другие физические характеристики достоверность и надежность прогноза низкие; невысокий уровень, особенно, ошибок II рода. Во-вторых, горная выработка в целом относится к опасной и во время ее проведения необходимо в полном объеме выполнять трудоемкие и дорогостоящие мероприятия по предотвращению прорывов метана. Вместе с тем, известно, что прорывы метана - редкое явление и опасные зоны имеют крайне локальное распространение. Таким образом, использование способа приводит к большим неоправданным затратам, что значительно снижает его эффективность. Известен способ определения положения ослабленных контактов в массиве горных пород, заключающийся в многократном импульсном возбуждении упругих колебаний, приеме акустического сигнала, определении его амплитудно-частотной характеристики, выделении резонансных частот в переменном временном диапазоне и определении расстояния до резонирующего слоя (А.с. СССР №1633122, кл. E21F5/00). Известный способ, определенный нами в качестве прототипа, невозможно использовать для определения прорывов метана на каком-либо участке, так как в способе не предусмотрено исследование амплитудно-частотной характеристики по площади этого участка и не установлен критерий, согласно которому выдается прогноз "опасно" по прорывам метана. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ прогноза прорывов метана из почвы горной выработки, в котором за счет оптимизации шага наблюдений и определения состояния пород почвы вблизи пласта-спутника обеспечивается повышение надежности и достоверности прогноза и, как результат, повышается безопасность горных работ. Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза внезапных прорывов метана из почвы горных выработок, заключающемся в импульсном возбуждении сигнала в породах почвы, регистрации акустического отклика на него горного массива, получении амплитудночастотной характеристики и выделении резонансной частоты, согласно изобретению, акустический отклик горного массива регистрируют вдоль очистного забоя или вдоль подготовительной выработки с шагом, соизмеримым с расстоянием до пласта-спутника, но не более 10м, а ситуация считается опасной, если на одном и том же участке последовательно в трех и более циклах при ежесменном продвигании забоя на амплитудно-частотной характеристике имеется лишь одна резонансная частота. Новые признаки в совокупности с известными обеспечивают повышение надежности и достоверности прогноза прорывов метана из почвы горной выработки. Так, импульсное возбуждение и регистрация акустического сигнала в двух и более точках в радиусе 1 - 3м при одном положении сейсмоприемника и осреднение спектра при обработке информации исключает ошибки, возникающие за счет блокового состояния пород почвы, обусловленного развитием техногенной трещиноватости. Размещение пунктов наблюдений по очистному забою или вдоль подготовительной выработки с шагом, близким по величине расстоянию до пласта-спутника (но не более 10м), обеспечивает достаточную детальность излучения состояния пород почвы. Для реализации прорыва метана, кроме прочих условий, необходимо наличие в разрезе горных пород между рабочим пластом и пластомспутником (вблизи последнего) пород повышенной прочности, например песчаника. Прорывы метана происходит в тот момент, когда в результате развития деформации прогиб слоя песчаника достигает своего предела по прочности, происходит его разрыв, освобождение энергии и выброс метана. Прорыв метана зависит от мощности слоя песчаника, размера площади его расслоения и состояния рабочего пласта: чем глубже залегает слой песчаника, тем большую площадь будут охватывать расслоения перед прорывом метана. Следовательно, при увеличении расстояния от рабочего пласта до пласта-спутника для выявления опасного расслоения пород вблизи последнего необходимо увеличить шаг наблюдений. Вместе с тем, для обеспечения требуемой детальности изучения состояния пород почвы шаг наблюдений не должен превышать 10м. Это необходимо для того, чтобы не принять отдельные разрозненные расслоения в породах почвы за единую систему и не отнести ситуацию в забое, ошибочно, к опасной. Отличительным признаком является также то, что прогноз "опасно" выдают с учетом площадного распространения интенсивного расслоения, пород вблизи пласта-спутника. В точке наблюдений при ситуации "опасно" на амплитудном спектре присутствует только одно резонансная частота, обусловленная расслоением пород вблизи пласта-спутника. Физически это обозначает, что глубже пластаспутника упругие колебания не проходят вследствие наличия пустот в области интенсивного расслоения пород. Вместе с тем, прочностные свойства пород таковы, что в последних не образуется нормальных к напластованию трещин, способствующих фильтрации газа, накапливается энергия, которая является источником газодинамического явления. Размеры критической площади распространения ситуации "опасно" определены исходя из теоретических расчетов соотношения расстояния до пласта-спутника и мощности слоя прочных пород, способных накапливать упругую энергию. Способ осуществляют следующим образом. Геологический разрез почвы рабочего пласта, как правило, известен в результате разведочного бурения. Эти данные используют для определения расстояния до пласта-спутника, являющегося источником прорыва метана. В очистной выработке по длине забоя, а в подготовительной - от забоя вдоль выработки на расстоянии 50 - 70м намечают пункты наблюдения. Расстояние между пунктами наблюдения выбирают близкими расстоянию до пласта-спутника. Причем вблизи подготовительного забоя на расстоянии 15 - 20м, а вблизи краевых частей очистного забоя на расстоянии 20 - 30м пункты наблюдения сгущают. Например, если расстояние до пласта-спутника равно 7м, то вблизи подготовительного забоя и на краевых частях очистного забоя пункты наблюдения размещают через 5м, а на остальной части выработки - через 10м. Для возбуждения упругих колебаний используют молоток весом 0,3 - 0,5кг. Для регистрации акустического сигнала используют пьезоэлектрический геофон и шахтный магнитный регистратор, типа РАМШ. В горной выработке акустический сигнал можно не регистрировать, а по системе связи передавать на поверхность, где его регистрируют и обрабатывают. На пункте наблюдения зачищают почву от отслоившейся, разрушенной породы и закрепляют геофон. Один из вариантов крепления геофона - прижатие его с помощью деревянных рычагов, используя элементы крепи. Другой способ - приклеивание алебастром. Впереди, сзади, сбоку от геофона выбирают точки для нанесения ударов (их должно быть не менее двух). При этом расстояние от точек до геофона должно быть 1 - 3м, а между точками не менее 1м. Почву в точках удара также зачищают от разрушенной породы с тем, чтобы удары наносить по массиву. Геофон подключают к магнитному регистратору, пробными ударами подбирают уровень усиления так, чтобы акустический импульс отклонял стрелку индикатора на 2/3 шкалы. В каждой точке наблюдения наносят 5 - 10 ударов и регистрируют акустический сигнал. Обработку сигнала осуществляют на поверхности при помощи аналоговой аппаратуры или с использованием современных персональных ЭВМ. Второй способ предпочтителен. Обработка акустического сигнала заключается в получении амплитудного спектра путем преобразования Фурье, выделении резонансных частот, вычислении мощности m слоев, которые обусловили эти частоты. Вычисление осуществляют по формуле где 2500 - скорость распространения поперечных волн, м/сек; f р - резонансная частота. Ситуация считается опасной, если на спектре имеет место лишь одна резонансная частота, обусловленная слоем пород, заключенным между рабочим пластом и пластом-спутником. За уровень фона принимается удвоенная относительная ошибка наблюдений и обработки акустического сигнала, как правило, это 15% от максимальной амплитуды. Прогноз "опасно" выдается втом случае, если опасная ситуация зафиксирована в трех и более точках подряд по линии наблюдений и в трех и более циклах наблюдений ежемесячно, т.е. интенсивное расслоение пород имеет некоторое площадное распространение. В качестве примера на чертеже (фиг.) приведены спектры для неопасной (а) и опасной (б) ситуаций, которые получены на шахте им. Менжинского. Угольный пласт I 8н расположен на расстоянии 4,7м от почвы рабочего пласта I 8в. При возбуждении упругих колебаний в почве этого пласта в подавляющем большинстве амплитудные спектры имеют строение, показанное на чертеже (а). Кроме резонансной частоты, обусловленной расслоением пород вблизи пласта-спутника (4,8м), выделяется еще ряд резонансных частот, которые обусловлены расслоением пород как выше пласта-спутника (4,0м; 3,2м), так и ниже его (5,5м; 7,0м; 8,4м). В таких условиях происходит регулярное и постепенное разрушение пород и прорывов метана не бывает. На отдельных пунктах наблюдений зафиксированы спектры типа, изображенного на чертеже (б). Здесь отсутствуют резонансные частоты, кроме обусловленной расслоением вблизи пласта-спутника. Здесь имеет место интенсивное расслоение, приведшее к скоплению газа. Верхние слои пород не разрушаются, в них происходит накопление упругой энергии для реализации внезапного прорыва газа. Для борьбы с этим явлением применяют комплекс мер, в основном, бурение дегазационных скважин. Таким образом, акустический способ прогноза прорывов метана учитывает конкретные горногеологические условия горной выработки, четко локализует место возможного прорыва метана, что значительно упрощает борьбу с этим грозным явлением. Акустический способ обладает достаточной объективностью, мобильностью, небольшими трудозатратами на его реализацию.