СПОСОБ ПРОГНОЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01V9/00 E21C39/00 

Изобретение относится к геофизике и предназначено для использования при оперативном прогнозировании динамических проявлений горного давления (горных ударов) в глубоких шахтах, при обеспечении безопасного ведения горных работ в условиях, при которых возрастает возможность горных ударов.

Цель изобретения повышение достоверности оперативного прогноза горных ударов в глубоких шахтах.

Поставленная цель достигается тем, что в способе прогнозирования динамических проявлений в качестве предвестника используют величину эксхаляции (выделение из минералов и горных пород) радиоактивного газа радона в массиве горных пород, которая изменяется в зависимости от изменения напряженного состояния горного массива. При этом для целей краткосрочного (на уровне часов) прогноза непрерывно регистрируют кратковременные в диапазоне от минуты до одного часа вариации концентрации радона и торона в непрерывном потоке воздуха (газа), откачиваемого из горного массива не менее, чем в двух точках наблюдения, расположенных на разных расстояниях от удароопасной зоны в шахте, как в непосредственной близости от нее, так и в дальней зоне, на расстоянии не менее 400 м, причем, датчики размещаются в массиве на глубине, обеспечивающей достаточный для получения значимых изменений концентраций радона эффективный объем горных пород, оказавшихся под действием изменившегося горного давления.

Известны способы оценки опасности по горным ударам, оперативного прогнозирования горных ударов, использующих в качестве предвестников (прогнозных параметров) различные геофизические явления: сейсмоакустическую эмиссию и электромагнитное излучение, декремент затухания упругих волн при прохождении через массив, отношение скоростей прохождения продольных и поперечных волн и т.п. Все известные способы дают положительные результаты в конкретных различных условиях применения, однако все эти способы практически неприменимы в условиях работающей шахты, где имеется большое количество техногенных помех в виде сейсмических сигналов, вызываемых работой транспорта, буровых станков, проведением взрывов для разрушения (отпалка) породы, где имеется большой уровень электромагнитных помех, вызываемых транспортом, буровыми и насосными установками.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения опасности по горным ударам в шахте. В этом способе измеряется изменение проницаемости исследуемого горного массива во времени, что фиксируется путем контроля скорости изменения давления в специально пробуренной в горном массиве скважине. При этом в скважине создается либо вакуум, либо избыточное давление и контролируется время изменения давления до начального, естественного уровня в данной части горного массива. Данный метод имеет три существенных недостатка.

Во-первых, он имеет очень большую временную дискретность (до нескольких дней), во-вторых, недостаточная герметизация устья измерительной скважины может привести к существенному искажению, в-третьих, практически невозможно автоматизировать процесс измерения.

Предлагаемый способ основан на следующих известных геофизических явлениях: постоянное выделение (эманирование) горными породами радиоактивного газа радона (торона), как продукта распада семейства уран-радий (торий-радий), накопление этого газа внутри горного массива, выделение радона из массива при нарушении сплошности последнего. Это явление детально исследовано, пpи этом показана связь интенсивности сейсмоакустической эмиссии и концентрации радона, выделяющегося во внешнюю среду.

Сущность способа возможно пояснить на основе графиков фиг. 1, где представлены в схематическом виде основные процессы, происходящие в горном массиве при изменении напряженного состояния в какой-либо его части.

При повышении горного давления P /1/ в какой-либо части горного массива, происходит деформация /2/ этого массива и возникают две характерные зоны: зона сжатия /3/ и зона разгрузки /4/. При повышении нагрузки (фиг. 1,б) в зоне сжатия возникает интенсивное трещинообразование с накоплением радона (торона) в этих трещинах. В то же время происходит деформация этих трещин и "выдавливание" радона по направлению 5 в зону разгрузки 4. Поэтому в зоне сжатия /3/ концентрация радона уменьшается (фиг. 1,в), а в зоне разгрузки /4/ увеличивается (фиг. 1, г). Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к дальнейшему снижению концентрации радона в зоне сжатия 3 и его увеличению в зоне разгрузки 4. При превышении нагрузкой предела прочности 6 (фиг. 1,б) возникает горный удар 7. При этом в зоне сжатия происходит резкое увеличение трещин и радон начинает двигаться в направлении противоположном 5, увеличивая концентрацию в бывшей зоне сжатия 3, которая после горного удара становится практически зоной разгрузки. Постепенно концентрация радона в обеих зонах возвращается к исходному состоянию (CO, CO₂), которое характеризуется содержанием естественных радиоактивных элементов в горном массиве и коэффициентом эманации.

Качественный анализ процессов показывает, что существуют две характерные зоны зона сжатия (или "ближняя" зона к месту возможного горного удара) и зона разгрузки (или "дальняя" зона по отношению к точке возможного горного удара), в которых поведение кривой изменения концентрации радона принципиально различно. В "ближней" зоне предвестником горного удара является снижение концентрации радона в горном массиве, а в "дальней" зоне наоборот, увеличение концентрации.

Для реализации способа бурятся, как минимум, две наблюдательные скважины, одна из которых расположена вблизи от рабочего забоя, где чаще всего и происходят горные удары, другая скважина бурится вдали от забоя, как привило, в спокойной по горным ударам зоне. Скважины герметизируются и из них производится непрерывная откачка воздуха, в потоке которого непрерывно измеряются кратковременные вариации концентрации радона (торона). На основе анализа вариаций концентрации радона (торона) судят о возможности горного удара и о промежутке времени до момента горного удара.

Пример. Способ опробован на Североуральском бокситовом руднике в районе с относительно частыми горными ударами в шахтах на глубинах от 350 до 600 м. При измерениях использовалась аппаратура со сцинтилляционной камерой, применялась аналоговая и цифровая регистрация. Информация накапливалась каждые 10 15 мин. Усреднение данных при данных при обработке проводилось по необходимости за 0,5, 1 или 3 ч.

Характерные примеры регистрации представлены на фиг. 2, 3 и 4. На фиг. 2 показаны непрерывные измерения, проведенные в двух точках шахты. Измерения показали, что концентрация радона в воздухе шахты остается практически без изменений ( фиг. 2, график 1). "Фоновая" (при отсутствии избыточного давления) концентрация радона в наблюдательной скважине, пробуренной в "ближней" зоне (фиг. 2, график 3), имеет характерные большие мгновенные вариации концентрации при среднем ее постоянном значении. Такой вид кривой определяется, в основном, техногенными факторами микросейсмическими воздействиями за счет работающей шахты.

Перед горным ударом (фиг. 2, кривая 2), наблюдается уменьшение мгновенных флуктуаций и уменьшение концентрации радона в наблюдательной скважине. В известняке этот эффект появляется за 50-70 мин до момента горного удара. После горного удара наблюдается рост измеряемой концентрации радона и восстановление ее до исходного состояния.

В наблюдательной скважине, пробуренной в бокситах "в ближней" зоне, рассмотренный эффект проявляется за 20 30 ч до наступления момента горного удара.

Наложение процессов подготовки горного удара и взрывной отработки массива (фиг. 3) приводит к специфическим изменениям концентрации. На графике видно, что взрыв в забое /1/ вызывает эффект, аналогичный горному удару резкое увеличение концентрации радона. Однако данный взрыв не мог снять полностью напряженное состояние горного массива. Через 30 мин после взрыва концентрация радона стала снова уменьшаться и еще через 30 мин произошел довольно мощный (2600 Дж) горный удар /2/. Вероятно, без взрыва процесс пошел бы по другому пути (прерывистая кривая).

В "дальней" зоне поведение концентрации радона существенно другое (фиг. 4). Горному удару предшествует не уменьшение, а резкое увеличение концентрации радона и горный удар следует после прохождения максимума на кривой концентрации. При возникновении серии горных ударов наблюдается суперпозиция кривых, типичных для одиночного удара, причем максимальные значения концентрации для каждого последующего удара уменьшаются.

Таким образом, предлагаемый способ измерения вариации концентрации радона в двух наблюдательных скважинах, расположенных на разных расстояниях от предлагаемого эпицентра горного удара, позволяет практически однозначно предсказать возможность горного удара и по времени подготовки удара о возможной его энергии.

Кроме того, предлагаемый способ достаточно технологичен: во-первых, процесс регистрации радона (торона) непрерывен во времени и нет необходимости строго контролировать герметизацию наблюдательных скважин, во-вторых, процесс измерений легко автоматизируется.

Использование: изобретение относится к геофизике и может быть использовано для оперативного прогнозирования горных ударов при проведении подземных горных работ. Сущность изобретения: способ основан на анализе изменения концентрации радона, непрерывно измеряемого в потоке воздуха, откачиваемого из горного массива. Причем для анализа необходимо использовать данные не менее чем двух датчиков, один из которых расположен на расстоянии не более 100м от удароопасной зоны, а другой удален от нее на расстояние не менее чем 400 м. О вероятности горного удара судят по снижению концентрации радона в ближней от удароопасной зоны точке измерения и увеличению концентрации радона в дальней точке измерения. 4 ил.

Способ прогноза динамических проявлений горного давления в глубоких шахтах, включающий изучение изменений напряженного состояния горного массива по динамике выделения радона из этого массива, отличающийся тем, что не менее чем в двух измерительных точках, одна из которых расположена на расстоянии не более 100 м, другая на расстоянии не менее 400 м от удароопасной зоны, регистрируют концентрацию радона в непрерывном потоке воздуха, откачиваемого из горного массива, и о вероятности горного удара судят по снижению концентрации радона в ближней от удароопасной зоны точке измерения и одновременному увеличению концентрации радона в дальней от удароопасной зоны точке измерения.