Способ определения высоты зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого Российский патент 2024 года по МПК E21C39/00 E21C41/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при оценке безопасности подработки водоемов, водоносных горизонтов, затопленных горных выработок, а также прогнозирования газовой обстановки в шахтах и на поверхности. Также изобретение может использоваться для экологических оценок безопасного ведения горных работ.

Известно, что при выемке полезного ископаемого и последующем обрушении кровли над выработанным пространством создается зона техногенных трещин (Иофис М.А., Казикаев Д.М., Каспарьян Э.В., Козырев А.А. Управление геомеханическими процессами при разработке месторождений полезных ископаемых. М. 2016. - 490 с.). Эта зона также получила название «зона водопроводящих трещин» (ЗВПТ), поскольку при развитии трещин в кровлю на большую высоту теряются водоупорные свойства вышележащих пластов горных пород, что приводит к прорывам воды в выработки, дренажу водоносных горизонтов, поступлению в шахту поверхностных вод. Правильная оценка высоты развития техногенных трещин позволяет повысить безопасность горных работ, принять меры по сохранению ресурсов подземных и поверхностных вод и предупреждению выхода шахтных газов на земную поверхность. В связи с важностью решения вопроса о высоте зоны техногенных трещин (ЗТТ) в горном деле разработано несколько способов ее определения.

Известен способ определения высоты ЗТТ по значению мощности добываемого полезного ископаемого m (м). (Методические указания по определению высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством в конкретных геологических условиях. Ленинград: ВНИМИ. 1973. - 32 с.). Максимальная высота ЗТТ составляет 40 т. Недостатком способа является низкая достоверность получаемого результата, поскольку прямая зависимость высоты зоны водопроводящих трещин от вынимаемой мощности пласта наблюдается только в простых геологических условиях.

Известен способ определения высоты ЗТТ над выработанным пространством на пластовых месторождениях, в котором кроме мощности вынимаемого пласта m учитывают граничную кривизну мульды сдвижения на поверхности (Патент РФ RU 2477792 C1, 20.03.2013). Способ включает определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемом массиве и граничной кривизны как функции содержания пород глинистого состава. Недостатком способа является необходимость предварительного проведения маркшейдерских наблюдений для установления эмпирической зависимости граничной кривизны от содержания пород глинистого состава и связанная с этим узкая область применения.

Известен также способ определения высоты зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, заключающийся в инструментальном контроле за процессом сдвижения с использованием специально пробуренных скважин впереди фронта очистных работ в зону предполагаемого развития водопроводящих трещин для контроля уровня подземных вод. (А.с. SU 1221347 A1, 30.03.1986, Бюл. №12; А.с. SU 1221348 A1, 30.03.1986, Бюл. №12). Недостатком способа является его высокая трудоемкость и ограниченная область применения: способ используется только для фиксации зоны развития трещин, тогда как более ценным является текущее (на данный момент времени) определение высоты ЗВПТ.

Известен способ определения местоположения ЗТТ по данным о потере промывочной жидкости в скважине, пробуренной с поверхности в область предполагаемого развития техногенных трещин (Tao Yang, Jiayue Deng, Bing Peng, Jie Zhang, Yiming Zhang, Yihui Yan Prediction and Prevention of High Intensity Mining Water Burst under Reservoirs in Western Mining Areas. Preprint, 2023. DOI: 10.20944/preprints202306.0925.v1). Недостатком способа является высокая трудоемкость, необходимость использования дорогостоящего бурового оборудования, необходимость последующего тампонажа скважины.

Известны также способы оценки ЗТТ, основанные на результатах физического моделирования (патент SU 1461924 A1, 28.02.1989) процесса сдвижения. Для оценки высоты ЗТТ создается физическая модель из эквивалентных материалов и по результатам моделирования оценивается высота ЗТТ. Недостатком способа является необходимость сбора большого количества фактической информации о геологическом, гидрогеологическом строении массива, изучения эмпирических закономерностей процесса сдвижения для построения физической модели.

Наиболее близким к изобретению (прототип) способом является способ мониторинга развития зоны водопроводящих трещин над выработанным пространством на пластовых месторождениях, заключающийся в закладке профильной линии на поверхности над участком добычи полезного ископаемого, определении параметров сдвижения и прогнозирования высоты ЗТТ с учетом геологического строения массива (патент RU 2687817 С1, 16.05.2019). Недостатком способа является высокая трудоемкость выполнения работ, включающих определение содержания пород глинистого состава в подрабатываемой толще, граничной кривизны породного слоя как функции содержания пород глинистого состава, закономерностей распределения мощностей пород глинистого и не глинистого составов подрабатываемой толщи, корректировку граничной кривизны мульды сдвижения по результатам регулярных маркшейдерских наблюдений.

Техническим результатом изобретения является снижение затрат и повышение оперативности определения положения верхней границы развития ЗТТ над участком добычи полезного ископаемого.

Технический результат достигается следующим образом.

В способе определения высоты зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого проводят газохимическую съемку на земной поверхности по профильной линии, пересекающей этот участок, отслеживают положение газовой аномалии радона и торона и определяют глубину залегания источника эмиссии этих газов в горном массиве, определяют высоту зоны техногенных трещин по разности глубины до расположения участка добычи полезного ископаемого и глубины до источника эмиссии радона и торона.

Отличие способа заключается в том, что над участком добычи проводят газохимическую съемку по профильной линии и по полученным данным определяют глубину h до источника эмиссии радона и торона в горном массиве. Высоту зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого (Н_зтт), находят по разности глубины до расположения этого участка Н и глубины до источника эмиссии радона и торона в горном массиве h

Н_зтт = H-h, (1)

Н_зтт - высота зоны техногенных трещин, м;

Н - глубина до участка добычи полезного ископаемого, м;

h - глубина до источника эмиссии радона и торона в горном массиве, м.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показано положение деформируемой области на глубинном разрезе шахтного поля по данным газохимической съемки.

Реализация способа основана на физическом явлении эмиссии содержащихся в горной породе газов, в том числе радиоактивных радона и торона, при ее разрушении, т.е. росте трещин (Riggio A, Santulin М. Earthquake forecasting: a review of radon as seismic precursor // Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 2015.- Vol. 56, n. 2, pp. 95-114. DOI 10.4430/bgta0148). Выделяющиеся из деформируемой области радиоактивные и другие газы, ранее заключенные в закрытых порах и трещинах, мигрируют в сторону земной поверхности, где могут быть зафиксированы в почвенном воздухе при газохимической съемке. Интерпретация данных газохимической съемки позволяет определять размеры и глубину расположения разрушаемой (деформируемой) области в горном массиве, которая является основным источником эмиссии газов и глубину h до этой области (Диваков В.И. Метод микрогеодинамических исследований - новый метод в геологии // Вестник Российского Университета дружбы народов, сер. Геол. и разв. пол. ископ. М., РУДН. – 1996, с. 71-79). Тогда, зная глубину до участка ведения горных работ Н, м, высоту зоны техногенных трещин над ним, Н_зтт, м, определяют по формуле (1).

Пример

На поле угольной шахты в Кузбассе была проведена газохимическая съемка по профильной линии 6, по материалам которой выявлена деформируемая область как источник эмиссии радона и торона, глубина до которой h составляет 500 м (фиг.1). Глубина до участка добычи полезного ископаемого Н здесь составляет 600 м. Отсюда по формуле (1) получаем высоту зоны техногенных трещин (Н_зтт), м, над участком добычи полезного ископаемого:

Н_зтт=H-h=600-500=100 (м).

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при оценке безопасности подработки водоемов, водоносных горизонтов, затопленных горных выработок, а также прогнозирования газовой обстановки в шахтах. Также изобретение может использоваться для экологических оценок безопасного ведения горных работ. Способ определения высоты зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого включает заложение профильной линии на поверхности шахтного поля над областью ведения горных работ. Вдоль заложенной профильной линии проводят газохимическую съемку, определяют содержание радиоактивных газов радона и торона в почвенном воздухе, определяют по полученным данным глубину h (м) до источника эмиссии этих газов в горном массиве и высоту зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого Н_зтт (м). Н_зтт определяют как разность Н_зтт=H-h, где Н - глубина до участка добычи полезного ископаемого, м. Техническим результатом изобретения является снижение затрат и повышение оперативности определения высоты зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого. 1 ил., 1 пр.

Способ определения высоты зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого, включающий заложение профильной линии на поверхности шахтного поля над этим участком, отличающийся тем, что вдоль заложенной профильной линии проводят газохимическую съемку, определяют содержание радиоактивных газов радона и торона в почвенном воздухе, определяют по полученным данным глубину h (м) до источника эмиссии этих газов в горном массиве и высоту зоны техногенных трещин над участком добычи полезного ископаемого Н_зтт (м) как разность:

Н_зтт =H-h,

где Н - глубина до участка добычи полезного ископаемого, м.