Спосіб виявлення геодинамічних зон в масиві гірничих порід

Изобретение относится к геофизическим методам изучения и прогноза напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Оно предназначено для выделения в горных выработках и на поверхности участков с аномальными проявлениями горного давления: зонами повышенного горного давления, зонами разгрузки, а также определения их ширины и протяженности. Зоны разгрузки могут быть представлены: над- или подработанными массивами, выше- и нижепересекающими выработками, разрывными нарушениями, участками повышенной трещиноватости, интервалами ослабленных пород. На участках развития повышенного горного давления высока вероятность проявления деформации выработок, обрушений кровли, выдавливания пород, пучения почвы, проявлений газодинамических явлений. Следствием этого является возрастание себестоимости добываемого полезного ископаемого, падение производительности труда добывающих предприятий, снижение безопасности ведения горных работ. В процессе добычи полезного ископаемого массив горных пород испытывает кроме гравитационных и тектонических напряжений, напряжения, обусловленные ведением очистных работ и проведением капитальных выработок. Изменение напряженно-деформированного состояния массива приводит к изменению положения и параметров зон повышенного горного давления и зон разгрузки. Поэтому осуществление контроля за изменением напряженно-деформированного состояния горных пород является актуальной задачей для горнодобывающих предприятий. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ обнаружения разрывных нарушений на угольных месторождениях [1], заключающийся в том, что с заданным периодом проводят изучение напряженно-деформированного состояния пород, при котором измеряют плотность потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) радиоволновым индикатором в точках наблюдения, расположенных в заданном направлении, с заданным шагом, в заданном диапазоне частот, по результатам измерений составляют графики значений плотности потока магнитной составляющей ЕИЭМПЗ и по наличию закономерных изменений уровня сигнала судят о наличии аномальных зон в массиве горных пород. Способ предназначен для обнаружения разрывных нарушений с амплитудами 0,5-10 м на закрытых территориях с мощностью рыхлых отложений до 100 м, при котором регистрируют сигнал интенсивности ЕИЭМПЗ в точках наблюдения, расположенных вдоль заданных профилей, в диапазоне частот 5-50 кГц. Данный способ не эффективен для определения положения и параметров зон повышенного горного давления, зон разгрузки в горных выработках. Современный прогноз зон повышенного горного давления позволяет прогнозировать места деформаций горных выработок и крепей, обрушений, проявлений газодинамических явлений. Прототип не позволяет решать поставленные задачи по следующим причинам. Диапазон регистрируемых частот составляет 5-50 кГц, то есть источник излучения расположен на расстоянии в несколько сотен и более метров. Поэтому известный способ не позволяет проводить обнаружение геодинамических зон в окрестностях выработок (на расстоянии десятков метров), информацию о которых несет излучение более высоких частот (150-200 кГц), которое не распространяется на большие расстояния непосредственно вблизи источника, так как интенсивно поглощается горными породами. В данном случае излучение низких частот из дальних зон являются помехами. Кроме того, регистрация излучения не осуществляется в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях антенной с узкой диаграммой направленности, что не позволяет определить местоположение источника в горном массиве. В основу изобретения поставлена задача - повышение точности и достоверности выделения положения зон повышенного горного давления и разгрузки по результатам наблюдения естественного импульсного электромагнитного поля Земли в горных выработках. Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения геодинамических зон в массиве горных пород, заключающемся в том, что с заданным периодом проводят изучение напряженно-деформированного состояния пород, при котором измеряют плотность потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли - ЕИЭМПЗ радиоволновым индикатором напряженно-деформированного состояния в точках наблюдения, в заданном направлении, с заданным шагом, в заданном диапазоне частот, по результатам измерений составляют графики плотности потока магнитной составляющей ЕИЭМПЗ и по наличию закономерных изменений уровня сигнала судят о наличии аномальных зон в массиве пород, согласно изобретению наблюдения проводят вдоль оси выработок в трех взаимно перпендикулярных направлениях: продольном, поперечном и вертикальном, с шагом 1-5 м, в диапазоне частот 150-200 кГц, а по положению аномальных зон на графиках судят о положении зон разгрузки или повышенного горного давления массива, обусловленных как природными, так и техногенными факторами. Экспериментально установлено, что параметры наблюдаемых в горных выработках зон повышенного горного давления имеют размеры свыше 5 м, а сечения капитальных выработок в свету, также свыше 5 м, следовательно, шаг наблюдения должен быть выбран от 1 до 5 м. Диапазон частот от 150 до 200 кГц, обусловлен тем, что регистрируемый сигнал, являющийся следствием деформационных процессов в массиве пород из ближней зоны (до 60 м) наиболее информативен в этом диапазоне. Наблюдения проводят с периодом равным времени релаксации напряжений в массиве пород, возникающих вследствие ведения горных работ, а по положению аномальных зон на графиках судят о положении зон разгрузки или повышенного горного давления массива, обусловленными как природными, так и техногенными факторами. Уменьшение шага наблюдений нецелесообразно, так как оно не способствует повышению разрешающей способности наблюдений, но приводит к удорожанию метода. Увеличение шага более 5 м может привести к пропуску отдельных геодинамических зон. Полезный сигнал, несущий информацию о напряженно-деформированном состоянии горного массива приходится, как показали экспериментальные наблюдения, на интервал 150-200 кГц. Вследствие этого смещение интервала принимаемых частот влево или вправо будет приводить к потере полезной информации и возрастанию уровня шумов. Экспериментально установлено, что наблюдаемые максимумы аномалий соответствуют участкам массива с проявлениями повышенного горного давления (участки деформаций горных выработок, зоны опорного давления, зоны развития газодинамических явлений). Минимумы наблюдаемых аномалий соответствуют положению зон разгрузки (зоны тектонических нарушений, в окрестностях ранее пройденных, претерпевших релаксацию выработок). Размеры выделяемых аномалий соответствуют размерам аномальных зон в массиве горных пород. Доказательством получения положительного технического результата при использовании предполагаемого изобретения является его применение в условиях ша хт Западного Донбасса с 1989 г. Так на шахте "Героев космоса" с помощью разработанного метода были выполнены исследования по выделению зон повышенного горного давления в капитальных выработках. На ша хте "Першотравнева" поданным наблюдений ЕИЭМПЗ определено положение вспомогательного штрека вместо задавленного 248го бортового штрека. Шахта "Днепровская" проводила реконструкцию руддвора на горизонте 265 м с использованием данных о развитии зон повышенных напряжений, выявленных по результатам наблюдений ЕИЭМПЗ. В условиях ша хты "Благодатная" с помощью предлагаемого метода определялись зоны повышенного горного давления в капитальных выработках. На площади восточного крыла шахты им. Н.И.Сташкова дана площадная оценка уровней развития повышенного горного давления, а также показана возможность прогноза зон фациальных замещений угольного пласта (размывов) с использованием предлагаемого метода. Результаты перечисленных исследований приняты к использованию горнодобывающими предприятиями. На фиг.1 представлена обобщенная кривая наблюдаемого ЕИЭМПЗ по результатам съемки в капитальных выработках угольных шахт. Зонам разгрузки (минимумы значений ЕИЭМПЗ) соответствуют разрывные нарушения и ранее пройденные выработки, напряжения в окрестностях которых релаксированы. Участки максимумов регистрируемого ЕИЭМПЗ соответствуют зонам повышенного горного давления в массиве горных пород, зонам развития опорного давления, возникающего при подвиганий груди забоя; выработкам, в окрестностях которых релаксация массива не произошла. На фиг.2 представлено наблюдаемое ЕИЭМПЗ по результатам съемки в выбросо-опасной горной выработке (шх. им. Засядько, ПО "Донецкуголь"), пройденной в породах соответствующей стадии метаморфизма ниже верхней границы зоны метановых газов. Участки максимумов наблюдаемого поля соответствуют местам проявления выбросов угля, породы и газа, в которых после произошедших газодинамических явлений сохранились остаточные напряжения в массиве горных пород. Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом. Вдоль оси капитальной выработки 1 шахты проводят наблюдение магнитной составляющей естественного импульсного электромагнитного поля Земли при трех взаимно перпендикулярных положениях приемной антенны 2: продольном, поперечном и вертикальном. Шаг наблюдения - 1-5 м, диапазон регистрируемых частот 150-200 кГц. Наблюдения проводят по мере продвигания забоя 3 выработки 1. Данные наблюдений представляются в виде графиков 4. Аномально повышенные значения интенсивности потока излучения ЕИЭМПЗ соответствуют участкам, в которых наблюдаются повышенное горное давление: в области груди забоя 3 (зоны опорного давления), в окрестностях выше- и нижепроведенных выработок 5, в районе которых массив 6 не релаксирован; на тех участках выработок, где наблюдается повышенное горное давление. Аномально низкие значения наблюдаемого поля соответствуют местам развития разрывных тектонических нарушений 7, в окрестностях выше-, нижележащих выработок, в области которых массив претерпел релаксацию. Понятие "геодинамические зоны" охватывает области проявлений повышенного горного давления, обусловленного как тектоническими причинами, так и ведением горных работ. В выбросоопасных регионах, на угольных пластах, залегающих глубже верхней границы зоны метановых газов и характеризуемых соответствующей стадией метаморфизма к геодинамическим зонам приурочены места проявлений газодинамических явлений: внезапных выбросов угля, породы и газа, горные удары, вываля и обрушения пород, деформации крепи и другие негативные явления, затрудняющие ведение горных работ. Пример. Прогноз мест проявления газодинамических явлений (выбросов угля и газа) осуществлялся следующим образом. Экспериментальные наблюдения проводились на шахте им. Засядько в 8 западном конвейерном штреке, горизонта 920 м. Регистрация сигнала осуществлялась в 3-х взаимно перпендикулярных положениях приемной антенны: вдоль оси выработки, поперек и вертикально вниз. Шаг наблюдения составил два метра, частота принимаемых сигналов приходилась на диапазон 150-200 кГц. Выбранная для эксперимента выработка 1 (фиг.2) пройдена в выбросоопасных породах глубже верхней границы зоны метановых газов. Получен был следующий результат. Над разрывными тектоническими нарушениями 7 и местами проявления выбросов угля и газа, зафиксированными службой прогноза выбросоопасности шахты (8) наблюдаемое естественное импульсное электромагнитное поле 4 имеет аномально пониженные и повышенные значения, что отражает остаточные напряжения в массиве горных пород после произошедшей частичной разгрузки массива в процессе выброса. При приближении выработки к выбросоопасной области массива отмечается характерное возрастание наблюдаемого поля.