Спосіб діагностики геодинамічного стану гірського масиву в області очисної виробки

Корисна модель відноситься до геофізичних методів контролю деформаційних процесів у геосередовищі при видобуванні корисних копалин і може бути використана для діагностики стану гірського масиву в області очисної виробки при відпрацьовуванні вугільних пластів небезпечних за геодинамічними явищами (раптовими викидами вугілля й газу й гірськими ударами). Відомий метод дослідження й контролю стану викидонебезпечного або ударонебезпечного вугільного пласта [1], який ґрунтується на ефекті електризації гірських порід при впливі на них механічних навантажень із боку порід покрівлі. Під впливом цих навантажень у масиві виникають тріщини з високою електричною напругою на їхніх бортах, яка ініціює електричний пробій газового проміжку в порожнині тріщини, що супроводжується імпульсним електромагнітним випромінюванням у радіочастотному діапазоні. По наростанню в часі кількості електромагнітних явищ судять про ступінь небезпеки геодинамічної ситуації. Недоліком способу є можливість оцінки по інтенсивності електромагнітної емісії (ЕМЕ) стану тільки крайової частини вугільного пласта, яка відображає прояв гірського тиску від безпосередньої покрівлі, котра не є визначальним чинником у формуванні небезпечної геодинамічної ситуації у вуглевміщувальному масиві. Більш глибинні осередки ЕМЕ, що виникають в основній покрівлі в області защемлення її консольної частини (-10-15м попереду лінії очисного вибою), через високе загасання електромагнітних хвиль у породному масиві не можуть бути виділені на фоні інтенсивної ЕМЕ із крайової частини вугільного пласта. Відомий спосіб визначення глибини залягання осередку динамічних явищ у масиві [2], по якому в одному пункті гірничої виробки одночасно реєструють імпульси електромагнітної й акустичної емісії й по різниці часу їхнього приходу в пункт реєстрації визначають відстань до області виникнення тріщин, а за допомогою двокомпонентної системи спрямованих антен установлюють напрямок на джерело електромагнітної емісії. За цим способом, також через високе загасання електромагнітних хвиль у гірському масиві, реєстрація ЕМЕ можлива тільки із крайової частини вугільного пласта з відповідною неоднозначністю оцінки геодинамічного стану вуглевміщувального масиву. В основу передбачуваної корисної моделі поставлене завдання створення способу діагностики геодинамічного стану гірського масиву в області очисної виробки, у якому за рахунок визначення перевищення рівня безпечного значення відносної іонізації атмосфери очисного вибою в процесі роботи добувного комбайна досягається технічний результат - вірогідність визначення початку формування небезпечного геодинамічного стану. Поставлена мета досягається тим, що в способі діагностики геодинамічного стану гірського масиву в області очисної виробки, відповідно до корисної моделі, одночасно циклічно й безупинно вимірюють рівні іонізації повітряного струменя на вході й виході очисної виробки в процесі роботи добувного комбайна, розраховують ступінь іонізації вихідного струменя на виході очисної виробки відносно свіжого струменя на вході очисної виробки й за перевищення цього показника не менш ніж удвічі рівня фонових значень, визначених раніше в цьому очисному вибої у свідомо безпечних геодинамічних умовах, установлюють початок формування небезпечного геодинамічного стану гірського масиву. Схема реалізації способу показана на Фіг.1 у плані очисної й допоміжної виробок, де 1 - очисна виробка, 2 вугільний пласт, 3 - вироблений простір, 4 і 5 - відповідно пункти виміру іонізації повітряного струменя на вході й виході очисної виробки, 6 - напрямок повітряного струменя в очисній виробці. На Фіг.2 у вертикальному поперечному розрізі перпендикулярно очисній виробці показане розташування джерел іонізації атмосфери очисної виробки, де 1 - очисна виробка, 2 - вугільний пласт, 7 - безпосередня покрівля вугільного пласта, 8 - основна покрівля пласта, 9 - породи підошви пласта, 10 - породний масив над основною покрівлею, 11 - область тріщиноутворення в основній покрівлі, 12 і 13 - відповідно максимум епюри опорного тиску у вугільному пласті від безпосередньої й основної покрівлі. На Фіг.3 показаний характер зміни ступеня відносної іонізації повітряного струменя на виході очисної виробки в процесі добувних робіт. Спосіб ґрунтується на ефекті іонізації атмосфери в очисній виробці при утворенні й розвитку розривних тріщин в основній покрівлі вугільного пласта. Високі електричні потенціали, які виникають на бортах тріщин, зумовлюють електричний пробій у порожнині тріщин з утворенням іонізованих молекул (негативних або позитивних) різних газів, що містяться у вугільному пласті й атмосфері виробки. Тріщиноутворення відбувається в крайовій частині вугільного пласта 2 (див. Фіг.2) при роботі добувного комбайна в результаті впливу на пласт навантаження з боку консольної частини безпосередньої покрівлі 7. При цьому безпосередня покрівля внаслідок порівняно невеликої її потужності (2-4 метри) і низьких міцнісних характеристик її породного складу (сланці або аргіліти) у консольній частині не досягає великої довжини й, як правило, обвалюється за кріпленням очисного вибою. Консольна частина безпосередньої покрівлі, що залишилася, підтримується вугільним пластом з максимумом епюри опорного напруження (позиція 12 на Фіг.2) на глибині в 1,5-2 значення потужності пласта від його оголення в очисній виробці й не впливає істотно на формування небезпечної геодинамічної ситуації у вуглевміщувальному масиві. Консольна ж частина основної покрівлі (позиція 8 на Фіг.2) внаслідок міцності її породного складу (як правило, пісковики) і великої потужності (до 10 метрів і більше) може досягати значної довжини й на порядки перевищувати навантаження на пласт від безпосередньої покрівлі. При досягненні консольною частиною основної покрівлі критичної довжини, за якої розтягувальні напруження в області її защемлення між безпосередньою покрівлею й породами, що лежать вище (позиція 10 на Фіг.2), перевищують міцнісні характеристики покрівлі, у її верхній частині в області защемлення виникають тріщини (позиція 11 на Фіг.2). Іонізація атмосфери, що супроводжує тріщиноутворення, наростає в часі в міру розвитку області тріщиноутворення й проростання тріщин углиб покрівлі. При наступному повному обриві консольної частини основної покрівлі вона всією своєю масою динамічно впливає на область вугільного пласта між максимумом епюри опорного тиску від безпосередньої покрівлі (позиція 12 на Фіг.2) і місцем розташування максимуму епюри опорного тиску від основної покрівлі (позиція 13 на Фіг.2) на момент до обвалення консолі. У цій області вугільного пласта в результаті динамічного впливу відбувається деструкція пласта з руйнуванням крайової його частини й розвитком викиду вугілля й газу або гірського удару (за малої газоносності пласта). Таким чином, формування небезпечної геодинамічної ситуації супроводжується підвищенням ступеня іонізації атмосфери очисної виробки. Причому іонізований газ затягується в повітряний потік в очисній виробці за рахунок витяжної (депресійної) системи провітрювання, й ступінь іонізації повітряного потоку на виході очисної виробки (у вентиляційному штреку) є об'єктивним діагностичним показником геодинамічного стану вуглевміщувального масиву в області очисної виробки в процесі виймання вугілля добувним комбайном. Пропонований спосіб здійснюється в такий спосіб. У процесі роботи добувного комбайна відомими методами роблять безперервні циклічні виміри ступеня іонізації повітряного струменя (вимір кількості позитивних або негативних іонів в одиниці об'єму повітря) на виході очисної виробки (позиція 1 на Фіг.1) у пункті 5 з одночасним вимірюванням ступеня іонізації повітряного струменя на вході очисної виробки в пункті 4 (позиція 6 на Фіг.1). Результати вимірів співвідносять між собою (вирахуванням показника іонізації свіжого струменя з показника іонізації вихідного струменя або співвідношенням поточного показника іонізації вихідного струменя з поточним показником іонізації свіжого струменя) для того, щоб нівелювати зміну ступеня іонізації свіжого струменя, пов'язану з можливою іонізацією повітряного потоку на вході в шахту внаслідок іонізації його грозовими розрядами на земній поверхні. Для визначення рівня фонових значень іонізації, пов'язаних із тріщиноутворенням у крайовій частині вугільного пласта, розраховують ступінь відносної іонізації у свідомо безпечних геодинамічних умовах, коли довжина консольної частини основної покрівлі мінімальна (після її повного обвалення або на початковій стадії відпрацьовування підготовленої лави). Перевищення рівня фонових значень відносної іонізації не менш ніж удвічі є свідченням початку формування небезпечної геодинамічної ситуації (див. Фіг.3), коли необхідно зупиняти добувні роботи й виконувати профілактичні заходи з розвантаження вугільного пласта (бурінням дегазаційних свердловин, гідророзривом пласта, примусовим обваленням основної покрівлі та ін.). Значення рівня іонізації, яке удвічі переважає фонові значення, визначає вірогідність оцінки початку формування небезпечної геодинамічної ситуації у вуглевміщувальному масиві з достатнім часовим запасом для зупинення виробничого процесу й проведення профілактичних заходів із зняття напружень у вугільному пласті. Потенційно небезпечна область гірського масиву по довжині очисної виробки визначається по положенню добувного комбайна на момент виникнення підвищених (не менш, ніж удвічі) значень відносної іонізації, й профілактичні заходи можуть проводитися на досить обмеженій ділянці очисної виробки з відповідною економією часу й матеріальних витрат. Пропонований спосіб діагностики геодинамічного стану гірського масиву в області очисної виробки ґрунтується на використанні фізично обґрунтованого достовірного показника стану вуглевміщувального масиву, забезпечує об'єктивну оцінку геодинамічної ситуації в області очисної виробки, що дозволяє виключити аварійні ситуації з порушенням виробничого процесу або більш серйозними наслідками. Джерела інформації 1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. - М.: Недра, 1977. 2. А.с. № 1613608, СССР, Е21С39/00. Способ определения глубины залегания очага динамических явлений в массиве / А.Э. Петросян, Н.Ф. Ткаченко, И.М. Лавров и Г.А. Ткаченко (СССР). - № 4636065/31-03; Заявлено 12.01.89; Опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.