СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СКОПЛЕНИЙ ГЛИНЫ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ КРУТОПАДАЮЩИХ ПЛАСТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/30 G01V3/12 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для выявления и оконтуривания скоплений глины, опасных по прорывам в горные выработки, при разработке мощных крутопадающих угольных пластов и пластообразных рудных залежей, перекрытых на выходах связными глинистыми отложениями, обрушивающимися в выработанное пространство.

Известен способ выявления наличия глины с повышенной влажностью в выработанном пространстве, применяемый при щитовой системе разработки угольных пластов, включающий бурение разведывательных скважин или шпуров из вентиляционного штрека в выработанное пространство и непосредственную оценку консистенции извлеченной глины, которая является опасной по прорывам, если весовая влажность W_e глины превышает ее влажность при пределе пластичности W_p на 3% и более [1].

Над подготавливаемым участком скважины бурят восстающими, сквозь угольный межэтажный целик, на погашенный откаточный штрек вышележащего горизонта, а над действующим забоем бурение шпуров осуществляют по простиранию, через межщитовой целик. В обоих случаях из-за трудностей сухого бурения по обрушенным породам, разведка охватывает только незначительную часть выработанного пространства вблизи вентиляционного штрека, на глубину 2-5 м (бурение с промывкой искажает фактическую консистенцию глины). Подавляющая часть выработанного пространства остается при этом недоступной для определения консистенции глины. Для обоснованного же применения весьма дорогостоящего основного мероприятия по предотвращению прорывов глины - принудительного обрушения боковых пород взрыванием мощных камерных или скважинных зарядов, осуществляемого на стадии подготовки выемочного участка, необходимо иметь данные о консистенции рыхлых глинистых пород во всем объеме вышележащего отработанного этажа высотой 80-120 м. В настоящее время, из-за отсутствия таких достоверных данных, меры предотвращения прорывов должны превентивно применяться на всем протяжении выемочных участков, отнесенных к опасным по прорывам глины по горно-геологическим факторам (мощность и угол падения пласта, мощность покровных глинистых отложений).

Между тем известны геофизические способы опосредованного определения влажности рыхлых грунтов, основанные на сравнении характеристик проходящего или отраженного высокочастотного излучения на исследуемом участке и на эталонном участке с известной влажностью. Наиболее близким по технической сущности является [2], при котором используются характеристики радиолакационного сигнала, отраженного от контролируемого и эталонного участков почвы. Согласно указанному способу определяют регрессионные зависимости между интенсивностью отраженного сигнала и влажностью на эталонных участках, на которых объемный запас свободной влаги определяют путем непосредственных измерений, а объемный запас свободной влаги на контролируемом участке определяют по интенсивности отраженного от него радиолокационного сигнала и установленным регрессионным зависимостям. Однако этот способ не может дать достоверных и оперативных данных о влажности рыхлых глинистых пород при оценке консистенции обрушенных глин в выработанном пространстве. Как показывают исследования, при необходимых по горнотехническим условиям базах просвечивания порядка 15-45 м, СВЧ-методы не применимы из-за сильного поглощения влажными рыхлыми глинами излучаемого высокочастотного сигнала и быстрого снижения его амплитуды до фоновых значений по мере увеличения расстояния от излучателя до приемника. Повышение же мощности генератора при автономном его питании приводит к резкому увеличению массы комплекта переносной аппаратуры и к затруднениям в обеспечении искровзрывобезопасности, что имеет существенное значение в условиях угольных шахт.

Задача изобретения - повышение оперативности и достоверности определения влажности глины для выявления в период подготовки выемочных участков на весьма мощных крутопадающих пластах наличия или отсутствия опасных ее скоплений во всем объеме выработанного пространства вышележащего отработанного этажа над подготавливаемым столбом или блоком и тем самым сокращение затрат ее мероприятия по предотвращению ее прорывов.

Сущность изобретения заключается в следующем. На намеченном к выемке участке пласта, отнесенном к опасным по прорывам глины по горно-геологическим факторам, с помощью электромагнитного просвечивания между скважинами, пробуренными в породах кровли и почвы на всю высоту вышелажещего отработанного этажа, определяют влажность W_p обрушенных пород в различных точках выработанного пространства над подготавливаемым столбом. Для этого предварительно на эталонном участке, в качестве которого выбирают засыпанный той же глиной провал поверхности над контролируемым участком, определяют весовую влажность W_e глины путем непосредственных измерений и устанавливают регрессионную зависимость между значениями W_e и соответствующими измеренными характеристиками электромагнитного просвечивания. Влажность W_e скоплений глины на контролируемом участке выработанного пространства определяют по измеренным на нем характеристикам электромагнитного просвечивания и указанной регрессионной зависимости.

Экспериментально установлено, что при просвечивании выработанного пространства, заполненного влажной глиной, оптимальный диапазон частот электромагнитного излучения для баз измерения порядка 15-45 м составляет 100-20 кГц. При более высоких частотах из-за вышеуказанного поглощения сигналов сокращается база измерений, а при более низких частотах снижается разрешающая способность метода в связи с уменьшением различий между амплитудами аномальных и нормальных сигналов, что затрудняет выявление аномалий поля, связанных с изменениями влажности среды.

Схема осуществления предлагаемого способа изображена на фиг. 1, а на фиг. 2 представлен образец регрессионной зависимости между удельным эффективным сопротивлением глины и ее весовой влажностью W_e на эталонном участке.

Способ осуществляют следующим образом. Определяют стандартными методами значение влажности W_e при пределе пластичности глинистых покровных отложений над контролируемым участком. Затем в породах кровли и почвы выработанного пространства 1 (фиг. 1) над подготавливаемым столбом или блоком 2 бурят скважины 3 и 4 на таких расстояниях от пласта, чтобы не попасть в зону обрушения боковых пород. По одной из скважин с помощью наращиваемых досылочных штанг перемещают излучающий зонд 5, который соединен экранированным кабелем с автономным источником питания и генерирует в породах, заполняющих выработанное пространство, переменное электромагнитное поле. По другой скважине перемещают приемный зонд 6, соединенный с измерительным прибором, с помощью которого определяют амплитуды сигналов, проходящих от зонда 5 к зонду 6. Зонды 5 и 6 перемещают параллельно или с различными шагами, при фиксированном расположении излучателя 5 в нескольких точках одной скважины и перемещении приемника 6 по другом, или, наоборот, фиксируя приемник и перемещая излучатель, а также меняют в скважинах зонды местами, просвечивая выработанное пространство по многим направлениям для оконтуривания выявленных аномалий магнитного поля. По величинам изменения амплитуд проходящих сигналов определяют эффективное удельное сопротивление на трассах их распространения. Затем по значениям устанавливают влажность W_e обрушенных пород в зонах просвечивания на основании регрессионной зависимости между и W_e (фиг. 2), предварительно полученной при аналогичном межскважинном просвечивании эталонного участка, например, засыпанного той же глиной провала поверхности 7, где значения W_e определяют непосредственно, путем высушивания образцов глины, отобранных из скважины 8 с различной глубины. Далее сравнивают установленные значения W_e пород в контролируемом пространстве с величиной W_p покровных глин над ним, и если в какой-либо зоне просвечивания разность W_e-W_p≥3%, то это свидетельствует о наличии в данном месте глины в опасной по прорывам консистенции.

Предлагаемое изобретение позволяет достоверно и оперативно выявлять фактическое наличие или отсутствие скоплений глины, способной прорваться в горные выработки, во всем объеме выработанного пространства выемочных участков, ранее превентивно отнесенных к опасным по прорывам глины по горно-геологическим факторам, и тем самым повысить безопасность их отработки и значительно сократить затраты на мероприятия по предотвращению прорывов.

Использование: для повышения достоверности выявления и оконтуривания скоплений глины, опасных по прорывам в горные выработки, при разработке крутопадающих угольных пластов и рудных залежей, перекрытых на выходах глинистыми отложениями. Сущность изобретения: осуществляют электромагнитное просвечивание по многим направлениям контролируемого выработанного пространства пласта на частоте 20 - 100 кГц между скважинами, пробуренными в его кровле и подошве, и определяют эффективное удельное сопротивление (ЭС) обрушенных пород на трассах сигналов. По величинам ЭС определяют влажности W_e обрушенных глин на основании регрессионных зависимостей между ЭС и W_e, предварительно полученных при просвечивании эталонного участка (засыпанного той же глиной провала поверхности), на котором влажность глин устанавливается непосредственными измерениями. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения влажности скоплений глины в выработанном пространстве крутопадающих пластов, основанный на измерении характеристик электромагнитного просвечивания обрушенной глины на эталонном и контролируемом участках, включающий определение влажности глины на эталонном участке путем непосредственных измерений и установление на нем регрессионной зависимости между измеренными характеристиками электромагнитного просвечивания и влажностью глины, отличающийся тем, что в качестве эталонного участка принимают засыпанный той же глиной провал поверхности над контролируемым участком, электромагнитное просвечивание контролируемого и эталонного участков осуществляют между скважинами, пробуренными в породах кровли и почвы выработанного пласта, а влажность скоплений глины на контролируемом участке выработанного пространства определяют по измеренным характеристикам электромагнитного просвечивания и указанной регрессионной зависимости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электромагнитное просвечивание контролируемого участка осуществляют при параллельном перемещении излучающего и приемного зондов в скважинах, пробуренных на всю высоту вышележащего отработанного этажа над подготавливаемым столбом или блоком. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электромагнитное просвечивание контролируемого участка осуществляют при фиксированном расположении излучателя в нескольких точках одной скважины и перемещении приемника с заданным шагом по другой скважине. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электромагнитное просвечивание контролируемого участка осуществляют при фиксированном расположении приемника в нескольких точках одной скважины и перемещении излучателя с заданным шагом по другой скважине. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве измеренных характеристик электромагнитного просвечивания используют удельное эффективное сопротивление обрушенной глины на трассе прохождения сигнала. 6. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что межскважинное электромагнитное просвечивание осуществляют на частотах в диапазоне 20 - 100 кГц.