Спосіб прогнозу газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід

Реферат: Спосіб прогнозу газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід включає вимірювання у газоповітряному середовищі підготовчої виробки концентрації метану та радону і їх оцінку. При цьому здійснюють комплексну оцінку напружено-деформованого стану викидонебезпечного масиву, яка полягає в одночасному вимірюванні у газоповітряному середовищі, не менш ніж у двох точках - в початку і в кінці виробки, інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної еквівалентної рівноважної об'ємної активності дочірніх продуктів розпаду (ЕРОА ДПР) радону по концентрації αвипромінюванню, та порівнянні процесів емісії виділених газів. При цьому синхронна зміна інтенсивності емісії газів метану і приведеної ЕРОА ДПР радону указує на безпечні зміни напруженого стану масиву, а при асинхронно протифазній або хаотично стрибкоподібній - на потенційну небезпеку газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід. UA 122441 U (12) UA 122441 U UA 122441 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується проблем підземного видобутку корисних копалин і може бути використана для поточного прогнозу газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід в шахтах, небезпечних по газу метану чи пилу. Відомі способи контролю та оцінки напружено-деформованого стану гірського масиву, у яких використовуються різноманітні геофізичні явища: сейсмоакустична емісія, електромагнітне випромінювання та ін. (1). Ці способи дають позитивні результати у конкретних різноманітних умовах застосування, але із-за великої кількості техногенних перешкод у вигляді сейсмічних сигналів та електромагнітних перешкод, що спричиняються транспортом, буровими та насосними пристроями та ін. точність прогнозу проблематична. Відомий спосіб визначення небезпечності динамічного прояву гірського тиску по контролю зміни проникності досліджуваної ділянки у часі, що фіксується шляхом визначення швидкості зміни тиску в спеціально пробуреній свердловині у гірському масиві. При цьому у свердловині створюють вакуум або надмірний тиск та контролюють час його зміни до початкового, природного рівня (2). Недоліком цього способу є велика часова дискретність (до декількох днів), та неможливість автоматизувати процес контролю. Відомий спосіб прогнозу динамічного прояву гірського тиску, який включає вивчення змін напруженого стану гірського масиву по динаміці виділення радону із цього масиву не менше ніж у двох вимірювальних точках, одна із яких розміщена на відстані не більше 100 м, а друга на відстані не менше 400 м від небезпечної зони, а імовірність гірського удару оцінюють по зниженню концентрації радону у найближчій від небезпечної зони точці виміру і одночасному збільшенню концентрації радону у дальній від ударонебезпечної зони точки виміру, причому датчики вимірювання розміщують у пробурених свердловинах на глибині, що забезпечує достатній для одержування значимих змін концентрацій радону ефективний об'єм гірських порід, що опинилися під дією зміни гірського тиску (3). Виконання цього способу потребує буріння свердловин для розміщення в них датчиків вимірювання, що приводе до складності автоматизації процесу, крім того спосіб не враховує метановий фактор формування раптового викиду, не забезпечує контроль такого вибухонебезпечного об'єкту як атмосфера гірничих виробок, яка є одночасно як носієм інформації, так і самим необхідним елементом життєзабезпечення, особливо у гірничих виробках небезпечних по газу метану чи пилу. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, найближчим аналогом, є спосіб прогнозування викидонебезпечності вугільних пластів, що заснований на вимірювані у повітряному середовищі виробки концентрації радону та метану, оцінки їх співвідношення і за динамікою зміни останнього визначають строки проявлення раптового викиду (4). Спосіб враховує контроль атмосфери гірничих виробок небезпечних по газу метану чи пилу, але оцінку раптового викиду дає за динамікою зміни тільки метану, а вимірювання концентрації радону здійснює без урахування дочірніх продуктів розпаду (ДПР) радону, що мають значну перевагу за енергетичним вкладом. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу прогнозу газодинамічного прояву гірського тиску викидонебезпечного масиву порід, в якому враховується комплексна оцінка напружено-деформованого стану масиву, що полягає в одночасному вимірюванні інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної еквівалентної рівноважної об'ємної активності дочірніх продуктів розпаду (ЕРОА ДПР) радону в газоповітряному середовищі підготовчої виробки, що призводе до значного поліпшення поточного контролю у гірничих виробках вибухонебезпечності по газу метану чи пилу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі прогнозу газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід, який заснований на вимірювані у газоповітряному середовищі підготовчої виробки концентрації метану та радону і їх оцінки, згідно з корисною моделлю, здійснюють комплексну оцінку напружено-деформованого стану викидонебезпечного масиву, яка полягає в одночасному вимірюванні у газоповітряному середовищі, не менш ніж у двох точках - в початку і в кінці виробки, інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної еквівалентної рівноважної об'ємної активності дочірніх продуктів розпаду (ЕРОА ДПР) радону по концентрації випромінювання, та порівнянні процесів емісії виділених газів, при цьому синхронна зміна інтенсивності емісії газів метану і приведеної ЕРОА ДПР радону указує на безпечні зміни напружено-деформованого стану масиву, а при асинхронно протифазній, або хаотично стрибкоподібній - на потенційну небезпеку газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід, причому при збільшені співвідношення -радіоактивності 1 UA 122441 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 короткоживучих ізотопів ДПР радону до -радіоактивності довгоживучих ізотопів ДПР радону визначають фактор запиленості виробки, що призводе до небезпечного стану газоповітряного середовища. Одночасне вимірювання інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної ЕРОА ДПР радону в газоповітряному потоці підготовчої виробки дозволяє здійснити комплексну оцінку напружено-деформованого стану викидонебезпечного масиву порід. Відомо, що динамічні явища, які мають місце при розробці корисних копалин і природних катастрофах (наприклад землетрусах) супроводжуються підвищенням концентрації радіоактивних газів. Найбільш вагомим з усіх природних джерел радіації є невидимий важкий газ, що не має ні смаку, ні запаху (в 7,5 разів важчий за повітря) - радон. Радон та продукти його розпаду, так же як і газ метан, мають добру дифузійну здібність і легко проникають через пористі та тріщинуваті гірські породи під дією геомеханічних процесів у породному масиві. Радон постійно генерується в гірських породах у процесі радіоактивного розпаду. Він завжди присутній у будь-якому гірському масиві, і зменшення його концентрації, наприклад, за рахунок дифузії з масиву в повітря гірської виробки постійно компенсується новою генерацією радону, відповідно і продуктами розпаду цього газу. Крім цього радон продукує родинні α-випромінювання, що являють собою тверді речовини у вигляді стабільних ізотопів полонію, свинцю, вісмуту, які відносяться до найбільш перспективних за енергетичним вкладом (~ 98 %) інформативних параметрів оперативного контролю у гірничих виробках вибухонебезпечних по газу метану чи пилу. Зрозуміло, що кількість дочірніх продуктів розпаду (ДПР) радону, які потрапляють в виробку, залежить від їх загальної кількості, що випромінюють гірські породи, а це майже постійна величина, а головне - від пористості, проникності і тріщинуватості масиву за рахунок чого ДПР радону надходять до виробки. Ці властивості середовища істотно залежать від напружено-деформованого стану порід. Очевидно, що при стисненні гірського масиву та його пружному деформуванні проникність масиву і відповідно кількість ДПР радону знижується, а при розвантаженні та непружному деформуванні - збільшується. Отже динамічні зміни концентрації ДПР радону у приконтурній частині гірничої виробки віддзеркалюють динамічні зміни напружено-деформованого стану гірського масиву. У зоні підвищеного гірського тиску у результаті руйнування гірських порід та розвитку тріщинуватості, зростає не тільки кількість ДПР радону, а також і кількість короткоживучих ізотопів над довгоживучими, тобто відбуваються процеси, які супроводжують проявлення динамічних змін напружено-деформованого стану гірського масиву. Якщо довгоживучі ізотопи радону та метан виходять з більш віддаленої частини масиву гірських порід внаслідок її руйнування, то короткоживучі ізотопи, що звільнилися при розвитку тріщин в приконтурній зони гірничої виробки, розпадаються і не доходять (або доходять в меншому обсязі) до її оголення. Руйнування і збільшення тріщинуватості в ближній частині масиву призводить до звільнення великої кількості короткоживучих ізотопів, які встигають надходити в шахтну атмосферу до того як розпадуться. Тому по підвищенню спільної радіоактивності ДПР радону, при збільшені співвідношення а-радіоактивності короткоживучих ізотопів до а-радіоактивності довгоживучих ізотопів визначають фактор запиленості виробки, що також може привести до небезпечного стану газоповітряного середовища. Підсумовуючи попереднє, зрозуміло, що фіксація саме ДПР радону дає можливість виявляти час утворення газу, зробити прогноз стану породного масиву більш інтегрованим та багатофакторним ніж при фіксації самого радону. Існує стійкий зв'язок між динамікою змін концентрації метану і приведеною концентрацією ДПР радону у діапазоні відхилень від середнього значення ±20 %, відхилення більшого значення пояснюються динамічними змінами напружено-деформованого стану масиву гірських порід (5). Вимірювання концентрації метану та ДПР радону здійснюють не менше ніж у двох точках на початку, ближче до вибою (ближня зона можливого газодинамічного прояву) і у кінці виробки (далека зона по відношенню до точки можливого газодинамічного прояву). Так поблизу майбутнього епіцентру газодинамічного прояву спостерігається помітне зниження концентрації ДПР радону, яке опереджає раптовий викид на 1-20 годин. Зазначений процес характерний для відстаней до 100 м від епіцентру майбутнього газодинамічного прояву. У той же час у далекій зоні, на відстанях від 500 до 2000 м від епіцентру динамічного прояву, зміна концентрації ДПР радону істотно підвищується у 8-10 разів і газодинамічне проявлення відбувається після проходження максимуму концентрації радону. 2 UA 122441 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При цьому одночасно оцінюється концентрація метану у цих точках по співвідношенню кількості метану до об'єму подаваного повітря для визначення газоносності. Порівняння процесів емісії метану і приведеної ЕРОА ДПР радону указує на безпечні зміни напруженого стану масиву при синхронній зміні інтенсивності емісії газів, а при асинхронно протифазній, або хаотично стрибкоподібній - на потенційну небезпеку динамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід. Попередженню викидонебезпечності сприяє визначення підвищення співвідношення -радіоактивності короткоживучих ізотопів до концентрації виділеного метану. Це, у свою чергу, дозволяє своєчасно здійснити противикидні інженерні заходи та евакуювати людей з небезпечної зони, а за рахунок цього забезпечується запобігання людських жертв та мінімізація матеріальних збитків, які пов'язані з раптовими викидами вугілля та метану. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 - графічно зображено інтенсивність відхилення від середнього значення величини концентрації метану (поз. 1) та приведеної еквівалентної рівноважної об'ємної активності дочірніх продуктів розпаду (ЕРОА ДПР) радону (поз. 2) по довжині виробки, з позначенням безпечних і небезпечних зон масиву порід, на фіг. 2 - графічно зображено дані вимірювальних станцій, що розміщені на дослідній ділянці. Спосіб був випробуваний на шахті ім. А.Ф. Засядько в 18 конвеєрному штреку, проведеному по викидонебезпечному пласту m3 (5). Вимірювальні станції були розміщені під покрівлею виробки: перша - на відстані 10 м від вибою, яку періодично переміщували при відставанні від вибою 50-60 м; друга - у кінці виробки. Закономірності зміни у просторі та часі вмісту в атмосфері гірничих виробок газу метану і ДПР радону досліджені радіометром РГА-09МШ. Методика вимірювань включала в себе послідовність наступних операцій: відбір проб аерозолів з повітря на фільтр шляхом прокачування повітря через фільтр; реєстрація а-випромінювання аерозолів ДПР радону, які осіли на фільтр; розрахунок значень ЕРОА радону методом Маркова; оцінка динаміки відхилення від середнього значення величин концентрації метану та радону. За результатами комплексного вимірювання газодинамічних проявів збудовані графіки, де показано взаємозв'язок змін вмісту метану і наведеної ЕРОА ДПР радону по довжині виробки. На фіг. 2 позначено: 1 - графік інтенсивності відхилення від середнього значення величини приведеної ЕРОА ДПР радону в %, по довжині штреку; 2 - графік інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану (СН4) в % по довжині штреку. Чергування зон підвищеного і зниженого виділення метану і приведеної ЕРОА ДПР радону в просторі над штреком пов'язано з закономірністю самоорганізації породного масиву навколо протяжних підземних виробок. Це свідчить про те, що на характер газовиділення по довжині штреку переважаючий вплив здійснюють геомеханічні процеси, що відбуваються в породному масиві. Разом з тим, коливання концентрацій метану і приведених концентрацій ЕРОА ДПР радону на одних ділянках гірничих виробок взаємопов'язані, а в зонах тектонічних порушень і підвищеної газодинамічної активності - цей зв'язок порушується. Це свідчить про можливість надійної фіксації в гірничих виробках нових утворених систем тріщин і зон підвищеного гірського тиску. Можна стверджувати, що сумарна об'ємна активність а-випромінювання ДПР радону (еманація) в атмосфері гірничих виробок (також, як і вміст метану) характеризує проникність усієї зони породного масиву, порушеного гірничими роботами. Виділення ДПР радону мають максимальні значення в зонах тектонічних порушень, на виходах магістральних тріщин і відпрацьованих просторах очисних вибоїв. Тобто, загальна еманаційна активність породного масиву дозволяє якісно оцінити зональність розподілу тріщинуватих зон і вихідних полів напружень по площі шахтних полів. Порівняння процесів емісії метану і приведеної ЕРОА ДПР радону, згідно графіка (фіг. 2), указує на безпечні зміни напружено-деформованого стану масиву при синхронній зміні інтенсивності емісії газів (зона по довжині конвеєрного штреку в межах 383-389 м), а при асинхронно протифазній, або хаотично стрибкоподібній - на потенційну небезпеку динамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного вуглепородного масиву (зона по довжині конвеєрного штреку в межах 389-395 м). Результати комплексного вимірювання були представлені службі безпеки шахти і своєчасно здійсненні проти викидні заходи у 18 конвеєрному штреку. Таким чином, запропонований спосіб одночасного вимірювання інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної ЕРОА ДПР радону в газоповітряному потоці підготовчої виробки дозволяє здійснити комплексну оцінку 3 UA 122441 U 5 10 15 напружено-деформованого стану викидонебезпечного масиву порід, визначити небезпечні зони раптового викиду. Це, у свою чергу, дозволяє своєчасно здійснити проти викидні інженерні заходи та евакуювати людей з небезпечних зон, а за рахунок цього, забезпечується запобігання людських жертв та мінімізація матеріальних збитків, які пов'язані з раптовими викидами вугілля та метану. Джерела інформації: 1. Глушко В.Т., Ямщиков B.C., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. - М.: Недра, 1987. 2. А.С. СССР, № 1824007, кл. G01V 3/12, 1990. 3. Патент РФ, № 2094831, кл. G01V 9/00, Е21С 39/00, 1997. 4. Патент України № 53118, кл. E21F 5/00, Е21F 7/00, G01S 15/00, G01V 5/00, бюл. № 1, 2003. 5. Взаємозв'язки між геомеханічними процесами і емісією газу метану та продуктів розпаду радону в гірничі выработки вугільних шахт/ А.Ф. Булат, І.М. Слащов, О.А. Слащова // Геотехнічна механіка. - Дніпропетровськ: ІГТМ ім. М.С. Полякова HAH України, вип. № 114, 2014. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Спосіб прогнозу газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід, що включає вимірювання у газоповітряному середовищі підготовчої виробки концентрації метану та радону і їх оцінку, який відрізняється тим, що здійснюють комплексну оцінку напруженодеформованого стану викидонебезпечного масиву, яка полягає в одночасному вимірюванні у газоповітряному середовищі, не менш ніж у двох точках - в початку і в кінці виробки, інтенсивності відхилення від середнього значення величини концентрації метану та приведеної еквівалентної рівноважної об'ємної активності дочірніх продуктів розпаду (ЕРОА ДПР) радону по концентрації α-випромінюванню, та порівнянні процесів емісії виділених газів, при цьому синхронна зміна інтенсивності емісії газів метану і приведеної ЕРОА ДПР радону указує на безпечні зміни напруженого стану масиву, а при асинхронно протифазній або хаотично стрибкоподібній - на потенційну небезпеку газодинамічних проявів гірського тиску викидонебезпечного масиву порід. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при збільшені співвідношення α-радіоактивності короткоживучих ізотопів ДПР радону до α-радіоактивності довгоживучих ізотопів ДПР радону визначають фактор запиленості виробки, що призведе до небезпечного стану газоповітряного середовища. 4 UA 122441 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5