Спосіб виявлення геодинамічних зон у породному масиві навколо гірничої виробки

Спосіб виявлення геодинамічних зон у породному масиві навколо гірничої виробки, який полягає у тому, що після релаксації напруг у масиві із заданим періодом проводять вивчення напруженодеформованого стану порід, при якому уздовж поздовжньої осі виробки вимірюють щільність потоку магнітної складової сигналу інтенсивності природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) радіохвильовим індикатором у заданих точках спостереження, із заданим кроком, в заданому діапазоні частот і за результатами вимірів складають графіки значень щільності потоку U 1 3 ногенними факторами. (Патент України № 8085, МІЖ (2006) G01V3/08,1995). Недоліками відомого способу є мала ефективність формування бази даних щодо стійкості та несучої здатності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, вузька область застосування. Недоліки викликані тим, що вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ проводять два рази - до релаксації напруг у масиві гірничих порід і після релаксації напруг з періодом, рівним часу релаксації напруг по мірі посування виробки в процесі її проходки. Друге вимірювання ведуть уздовж осі виробки, що не забезпечить достатньо можливу точність і достовірність вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ у межах площини поперечного перерізу виробки перпендикулярної її поздовжній осі, що особливо важливо для виробки, пройденої під кутом а до горизонталі, Вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ проводять у трьох взаємно перпендикулярних направленнях поздовжньому, поперечному та вертикальному, що не забезпечить достатньо можливу точність і достовірність вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ у точках спостереження для породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, а це не дасть можливості сформувати достовірну базу даних щодо стійкості та несучої здібності породного масиву відповідної міцності. Вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ проводять із шагом 1-5 м, що забезпечує достатньо можливу точність і достовірність вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ із урахуванням геомеханіки площини поперечного перерізу гірничої виробки, що є одним із складових компонентів формування геодинамічних зон у породному масиві різної міцності навколо гірничої виробки, а це не дасть можливості сформувати достовірну базу даних щодо стійкості та несучої здатності сигналу породного масиву відповідної міцності. Вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ проводять у діапазоні частот від 150 до 200 кГц, що не забезпечить достатньо можливу точність і достовірність регістрації сигналів несучих інформацію щодо можливо маючих тектонічних порушеннях, тріщинуватості та обводненості породного масиву відповідної міцності навколо гірничої виробки, а це не дасть можливості сформувати достовірну базу даних щодо стійкості та несучої здатності сигналу породного масиву відповідної міцності. Вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ проводять повторно з періодом рівним часу релаксації напруг у масиві, виникаючих внаслідок гірничих робіт, тобто по мірі посування виробки в процесі її проходки, а по положенню геодинамічних зон на графіках судять про положення зон розвантаження або підвищеного тиску масиву, обумовлених як природними, так і техногенними факторами, виникаючими в міру посування .виробки в процесі її проходки. Отже відомий спосіб не дозволяє по закінченню відрізка часу рівному від декількох до десятків років після закінчення процесу проходки ефективно формувати базу даних щодо стійкості та несучої 55180 4 здібності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки та відповідно не сприяє експлуатації гірничої виробки в безаварійному й безремонтному режимі. Причинами, що перешкоджають одержанню технічного результату прототипом корисної моделі, що заявляється, є: - визначення наявності геодинамічних зон у породному масиві навколо гірничої виробки виконують до релаксації напруг у масиві гірничих порід, потім спостереження ПІЕМПЗ проводять повторно з періодом рівним часу релаксації напруг у масиві гірничих порід навколо гірничої виробки, з визначенням положення геодинамічних зон, що приводить особливо по закінченню довгочасного періоду часу рівного від декількох до десятків років після закінчення процесу проходки виробки в породному масиві навколо гірничої виробки, до малої ефективності формування бази даних щодо стійкості та несучої здібності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, вузької області застосування та відповідно не дозволить експлуатувати гірничу виробку в безаварійному й безремонтному режимі; - наявність геодинамічних зон в породному масиві навколо гірничої виробки, які визначають по графікам позначень щільності потоку магнітної складової ПІЕМПЗ і по наявності закономірних змін рівня сигналу судять про наявність геодинамічних зон, одержаних вимірюванням радіохвильовим індикатором у точках спостереження, розміщених у заданому напрямку, із заданим шагом, у заданому діапазоні частот, потім спостереження ПІЕМПЗ проводять повторно з періодом, рівним часу релаксації напруг у масиві гірничих порід, при цьому вимірювання магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ ведуть уздовж осі виробки в трьох взаємно перпендикулярних направленнях: поздовжньому, поперечному та вертикальному із шагом 1-5 м в діапазоні частот 150-200 кГц, а по положенню геодинамічних зон на графіках судять про положення зон розвантаження або підвищеного гірничого тиску масиву, обумовлених як природними, так і техногенними факторами особливо по закінченню довгочасного періоду часу рівного від декількох до десятків років після закінчення процесу проходки виробки в породному масиві навколо гірничої виробки. А це приводить до малої ефективності формування бази даних щодо стійкості та несучої здібності. породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, вузької області застосування, що відповідно не дозволить експлуатувати гірничу виробку в безаварійному й безремонтному режимі довготривалий період часу. Завданням корисної моделі, що заявляється, є розробка способу виявлення геодинамічних зон у породному масиві навколо гірничої виробки, в якому шляхом забезпечення достатньо можливої точності та достовірності як наявності, так і положення геодинамічних зон після релаксації напруг в породному масиві навколо гірничої виробки за рахунок диференціації геофізичної діагностики породного масиву з урахуванням геомеханіки поперченого перерізу гірничої виробки, досягають підвищення ефективності формування бази даних 5 стійкості та несучої здібності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, розширення області застосування й оптимізації продовження строків безаварійної та безремонтної експлуатації гірничої виробки із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому способі виявлення геодинамічних зон у породному масиві навколо гірничої виробки, який заключається у тому, що після релаксації напруг у масиві із заданим періодом проводять вивчення напружено-деформованого стану порід, при якому уздовж поздовжньої осі виробки вимірюють щільність потоку магнітної складової сигналу інтенсивності природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) радіохвильовим індикатором у заданих точках спостереження, із заданим шагом, в заданому діапазоні частот і за результатами вимірів складають графіки значень щільності потоку магнітної складової ПІЕМПЗ, згідно корисної моделі, після релаксації напруг в масиві вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ виконують в площині поперечного перерізу виробки перпендикулярного її поздовжній осі в точках спостереження рівномірно розміщених по контуру перерізу виробки як на взаємно перпендикулярних осях перерізу, так і на радіальних із шагом спостереження рівним 1-15 приведеного радіуса виробки диференційовано по міцності породного масиву в діапазоні частот 0,1100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 5-10 кГц і по наявності закономірних змін рівня сигналу на графіках визначають як наявність, так і положення геодинамічних зон - розвантаження, підвищеного та геостаціонарного тиску в породному масиві навколо гірничої виробки, а також тектонічні порушення, тріщинуватість та обводненість порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами. Суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, є: - після релаксації напруг у масиві із заданим періодом проводять вивчення напруженодеформованого стану порід, при якому уздовж поздовжньої осі виробки вимірюють щільність потоку магнітної складової сигналу інтенсивності природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) радіохвильовим індикатором у заданих точках спостереження, із заданим шагом, в заданому діапазоні частот; - за результатами вимірів складають графіки значень щільності потоку магнітної складової ПІЕМПЗ; - після релаксації напруг у масиві вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ виконують в площині поперечного перерізу виробки перпендикулярного її поздовжній осі в точках спостереження рівномірно розміщених по контуру перерізу виробки як на взаємно перпендикулярних осях перерізу, так і на його радіальних із шагом спостереження рівним 115 приведеного радіуса виробки диференційовано по міцності породного масиву в діапазоні частот 0,1-100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 510 кГц; 55180 6 - по наявності закономірних змін рівня сигналу на графіках визначають як наявність, так і положення геодинамічних зон - розвантаження, підвищеного та геостаціонарного тиску в породному масиві навколо гірничої, виробки, а також тектонічні порушення, тріщинуватість та обводненість порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами. Новими суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, є: - після релаксації напруг вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ виконують в площині поперечного перерізу виробки перпендикулярного її поздовжній осі в точках спостереження рівномірно розміщених по контуру перерізу виробки як на взаємно перпендикулярних осях перерізу, так і на його радіальних із шагом спостереження рівним 1-15 приведеного радіуса виробки диференційовано по міцності породного масиву в діапазоні частот 0,1-100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 5-10 кГц; - по наявності закономірних змін рівня сигналу на графіках визначають як наявність, так і положення геодинамічних зон - розвантаження, підвищеного та геостаціонарного тиску в породному масиві навколо гірничої виробки, а також тектонічні порушення, тріщинуватість та обводненість порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами. Завдяки тому, що після релаксації напруг в масиві вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ виконують в площині поперечного перерізу виробки перпендикулярного її поздовжній осі в точках спостереження рівномірно розміщених по контуру перерізу виробки як на взаємно перпендикулярних осях перерізу, так і на його радіальних із шагом спостереження рівним 1-15 приведеного радіуса виробки диференційовано по міцності породного масиву в діапазоні частот 0,1-100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 5-10 кГц, у зв'язку з указаними точками спостереження, шагом і діапазоном частот, одержання за одне спостереження ПІЕМПЗ конкретного для даної виробки геодинамічного стану породного масиву навколо неї і по усій її довжині з одержанням як наявності, так і положення геодинамічних зон - розвантаження, підвищеного та геодинамічного тиску, а також тектонічних порушень, тріщинуватості й обводненості порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами по закінченню довготривалого періоду часу рівним від декількох до десятків років після закінчення процесу проходки гірничої виробки, то це буде сприяти підвищенню ефективності формування бази даних стійкості та несучої здібності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, розширенню області застосування й оптимізації продовження строків безаварійної та безремонтної експлуатації гірничої виробки із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Зменшення шагу спостережень недоцільно, так як воно не сприяє підвищенню роздільної здатності спостережень, а також приведе до подорожчання спостережень. 7 Збільшення шагу більш 15 приведених радіусів виробки може привести до пропуску окремих геодинамічних зон, особливо в низькочастотному інтервалі частотної смуги рівній 0,1-5 кГц. Зменшення діапазону частоти недоцільно, так як воно не сприяє підвищенню роздільної здібності вимірювань, приводить до подорожчання методу внаслідок ускладнення апаратури. Збільшення діапазону частоти більш 100 кГц нераціонально, так як реєструємий сигнал є наслідком геодинамічних процесів у породному масиві навколо гірничої виробки і, як показали промислові експерименти, він є найбільш інформативним у діапазоні до 100 кГц. Зменшення інтервалу частотної смуги менше 5 кГц недоцільно, так як воно не сприяє підвищенню роздільної здібності вимірювань, приводить до подорожчання методу внаслідок ускладнення апаратури. Завдяки тому, що після виконання вимірювань щільність потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ і по наявності закономірних змін рівня сигналу на графіках визначають як наявність, так і положення геодинамічних зон - розвантаження, підвищеного та геостаціонарного тиску в породному масиві, навколо гірничої виробки, а також тектонічні порушення, тріщинуватість і обводненість порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами, за одне спостереження ПІЕМПЗ графічно визначаються не тільки зони розвантаження та підвищеного тиску в породному масиві різної міцності навколо гірничої виробки, а також визначаються ще й зони геостаціонарного тиску, тектонічні порушення, тріщинуватість і обводненість порід у них, обумовлених як природними, так і техногенними факторами після релаксації напруг у породному масиві навколо гірничої виробки, а також цей метод може бути застосованим по закінченню довготривалого періоду часу рівним від декількох до десятків років після закінчення процесу проходки гірничої виробки, досягають підвищення ефективності формування бази даних стійкості та несучої здібності породного масиву різної міцності навколо гірничої виробки, розширення області застосування й оптимізації продовження строків безаварійної та безремонтної експлуатації гірничої виробки із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Суттєвість корисної моделі, що заявляється, пояснюється кресленнями, де: - на фіг. 1 зображений поздовжній розріз частини масиву гірничих порід при розробці покладу корисних копалин відкритим способом з похилою гірничою виробкою, уздовж поздовжньої осі якої в площині поперечного перерізу перпендикулярного поздовжній осі виробки виконують вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ; - на фіг.2 - поперечний розріз частини масиву гірничих порід по площині перерізу перпендикулярного поздовжній осі виробки з точками спостереження магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ, рівномірно розміщених по контуру пере 55180 8 різу виробки як на взаємно перпендикулярних осях його, так і на радіальних; - на фіг.3 - диференційована по діапазону частоти та по інтервалу частотної смуги сім'я графіків змін кількості імпульсів у секунду магнітної складової ПІЕМПЗ по довжині виробки. Спосіб здійснюється наступним чином. В гірничій виробці 1, пройденої в породному масиві 2 з відповідною міцністю порід f по шкалі професора Протод'яконова М.М. і під кутом α до горизонталі 3, після релаксації напруг в масиві 2 навколо гірничої виробки 1, виконують вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ). Вимірювання виконують уздовж поздовжньої осі 4 виробки 1 в площині 5 поперечного перерізу перпендикулярного поздовжній осі 4 виробки 1 (фіг. 1) радіохвильовим індикатором 6 в точках спостереження 7 рівномірно розміщених по контуру 8 площини 5 перерізу виробки 1 як на взаємно перпендикулярних осях 9, 10 площини 5 перерізу виробки 1, так і на радіальних осях 11, 12 площини 5 перерізу виробки 1 (фіг.2). Шаг вимірювання h (фіг. 1) рівний 1-15 приведеного радіуса виробки 1 позначеного,як Rв S , де S - площина поперечного перерізу виробки 1. Шаг вимірювання h диференційований по міцності порід f породного масиву 2 в заданих інтервалах, при:f= 1-2, h = 0,5Rв;f= 3-4, h = RB;f= 56, h = 2Rв; f= 7-8, h= 4RB; f= 9-10, h = 6RB; f= 11-12, h = 8RB; f= 13-14, h = 10 RB; f= 15-16, h = 12RB; f= 17-18, h =14RB; f=19-20, h=15RB. Діапазон регістріруємих частот складає 0,1-100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 5-10 кГц. Такий інтервал частотної смуги дасть можливість достатньо точно визначити в породному масиві 2 навколо гірничої виробки 1 як наявність, так і положення наступних геодинамічних зон відповідно діапазону частот і інтервалу частотної смуги при: 0,1-5-10 кГц - тектонічні розломи, крупноблочна тріщинуватість; 1115-20 кГц - блочна і крупна тріщинуватість; 21-2530 кГц - вище середньої і середня тріщинуватість; 31-35-40 кГц - мала і незначна тріщинуватість; 4145-50 кГц - значна і велика обводненість; 51-55-60 кГц - вище середньої і середня обводненість; 6165-70 кГц - мала і незначна обводненість; 71-75-80 кГц - зона геостаціонарного тиску; 81-85-90 кГц зона підвищеного тиску; 91-95-100 кГц - зона розвантаження масиву. Дані вимірювання представлені у вигляді диференційованої по діапазону частот і інтервалу частотної смуги сім'ї графіків 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 (фіг.3) змін кількості імпульсів у секунду I магнітної складової ПІЕМПЗ по довжині L виробки 1, які і характеризують зміни щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності - ПІЕМПЗ. Графік 13 відповідає діапазону частот і інтервалу частотної смуги 0,1-5-10 кГц, 14-11-15-20 кГц, 15-21-25-30 кГц, 16-31-35-40 кГц, 17-41-45-50 кГц, 18-51-55-60 кГц, 19-61-65-70 кГц, 20-71-75-80 кГц, 21-81-85-90 кГц, 22-91-95-100 кГц. Підвищені показники кількості імпульсів в секунду у кожному інтервалі частотної смуги свідчать як про наявність, так і про положення геодинамічних 9 зон у породному масиві 2 навколо гірничої виробки 1 по її довжині L. Результати конкретного визначення геодинамічних зон як наявності, так і положення геодинамічних зон після релаксації напруг у породному масиві 2 навколо гірничої виробки 1 дозволяють зробити висновок щодо стійкості та несучої здатності породного масиву 2 різної міцності навколо гірничої виробки 1 і визначити оптимальні строки безаварійної та безремонтної експлуатації гірничої виробки 1 із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Технологічні параметри способу, що заявляється одержані Державним підприємством «Науково-дослідний гірничорудний інститут» внаслідок лабораторних, стендових і промислових досліджень по геофізичному поверхневому площадному апаратурному зондуванню стану гірничих порід методом вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ. Приклад. Промислові випробування корисної моделі, що заявляється, були проведені при геофізичних дослідах стану породного масиву навколо похилого транспортного рудного ствола комплексу гірничих виробок, задіяних у циклічно - поточній технології дробарної фабрики № 4 ГЗКу ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг». Похилий ствол площею поперечного перерізу 16 м2 пройдений під кутом похилу до горизонталі рівним 15° в сіросмугастих роговиках міцністю 15-16 по шкалі професора Протод'яконова М.М. Ствол знаходиться в постійній експлуатації протягом останніх 15 років. Отже в породному масиві навколо ствола відбувалася релаксація напруг. Геофізичних досліджень стану породного масиву навколо ствола не провадилось. Уздовж поздовжньої осі ствола - по усій його довжині рівній 648 м виконували вимірювання щільності потоку магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ. Вимірювання виконували радіохвильовим індикатором у площині поперечного перерізу виробки перпендикулярній її поздовжній осі у вісьмох точках спостереження рівномірно розміщених по контуру перерізу виробки як на взаємно перпендикулярних осях його - у чотирьох точках, так і на радіальних - у чотирьох точках. Шаг спостереження складав 27 м при міцності порід f= 15-16, що дорівнює дванадцяти приведеним радіусам похилого ствола Rств. Rств. визначили, як 16м 2 2,25м . Тоді шаг спостереження складає 3,14 12 м • 2,25 м = 27 м. Вимірювання проводили в діапазоні частоти 0,1-100 кГц з інтервалом частотної смуги рівним 510 кГц. Усього було виконано 192 вимірювання. На основі виконаних вимірювань представлених сім'єю графіків змін кількості імпульсів в секунду магнітної складової сигналу інтенсивності ПІЕМПЗ установлено, що відповідно до горно-технічних умов похилого рудного ствола для породного масиву навколо ствола по усій його довжині переважає характерно мала і незначна тріщинуватість 55180 10 відповідно діапазону частот і інтервалу частотної смуги 31-35-40 кГц. Для породного масиву навколо ствола переважає геостаціонарний тиск відповідно діапазону частот і інтервалу частотної смуги 71-7580 кГц. У місцях сполучень рудного ствола з технологічним шурфом, а також з переходом на горизонт -45 м і з камерою шламового зумпфу зареєстровані зони підвищеного гірничого тиску відповідно діапазону частот і інтервалу частотної смуги 81-85-90 кГц. У районі виходу ствола на поверхню зареєстрована зона розвантаження породного масиву навколо ствола. В районах названих сполучень зареєстрована середня і вище середньої обводненість породного масиву відповідно діапазону частот і інтервалу частотної смуги 51-5560 кГц, а також місця середньої і вище середньої тріщинуватості масиву в районах вище названих сполучень похилого ствола. Результати конкретного визначення як наявності, так і положення геодинамічних зон у породному масиві навколо похилого ствола дозволили зробити висновок щодо відповідної стійкості і несучої здатності породного масиву. Сполучення похилого ствола з переходом на горизонт -45 м і шламового зумпфу були закріплені анкерним кріпленням. Строк безремонтної та безаварійної експлуатації ствола був продовжений на п'ять років. Таким чином після релаксації напруг у породному масиві навколо похилого ствола згідно приведеної технології досягнуто підвищення ефективності формування бази даних щодо стійкості та несучої здібності породного масиву різної міцності навколо похилого ствола, розширення області застосування й оптимізовано продовження строків безаварійної та безремонтної експлуатації ствола на п'ять років із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Приведена технологія на прикладі горнотехнічних умов похилого рудного ствола для породного масиву навколо ствола може бути застосована як для горизонтального рудного ствола, так і вертикального з досягненням такого ж технічного результату. Застосування корисної моделі, що заявляється, дасть - можливість підвищити ефективність формування бази даних щодо стійкості та несучої здібності породному масиву різної міцності навколо гірничої виробки, розширити область застосування й оптимізувати продовження строків безаварійної та безремонтної експлуатації гірничої виробки із забезпеченням безпечних умов праці гірничого персоналу. Технічний результат досягається за рахунок диференціації геофізичної діагностики породного масиву з урахуванням геомеханіки поперечного перерізу гірничої виробки шляхом забезпечення достатньо можливої точності та достовірності як наявності, так і положення геодинамічних зон після релаксації напруг в породному масиві навколо 21гірничої виробки. 11 Комп’ютерна верстка М. Мацело 55180 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601