Комплексный метод исследования состояния массива горных пород

Внешнее воздействие на массив горних пород (взрыв, механическое разрушение, ослабление или укрепление и пр.) приводит к изменению всех параметров его состояния.

В массиве существуют поля: механических напряжений электромагнитное, тепловое, естественной радиоактивности и др. Состояние массива (системы «порода—уголь—газ—жидкость») в каждый момент времени определяется величиной этих полей и соответствующих нм показателей свойств массива. Их совокупность будем называть параметрами состояния массива.

Поле механических напряжений в массиве определяется величиной смещений, модулем упругости, прочностными показателями, скоростью звука, скоростью газовыделения, давлением газа, влажностью; электромагнитное поле — магнитной восприимчивостью, магнитной и диэлектрической проницаемостью, электрическим сопротивлением, тангенсом угла диэлектрических потерь; тепловое поле — теплопроводностью, теплоемкостью, температуропроводностью и другими свойствами; радиоактивное поле — свойствами и количеством радиоактивных веществ.

Чтобы знать состояние массива, необходимо вести наблюдения во времени и пространстве за величиной полей и свойствами массива.

Следует заметить, что практически все свойства горних пород взаимосвязаны и взаимозависимы, но связи эти для горных пород изучены слабо.

С учетом некоторых показателей (например, количества подаваемого в забой воздуха и пр.), которые определяют внешнее воздействие на массив, для оценки состояния массива представляется достаточной система измерений во времени и пространстве следующих параметров; трехосного напряженного состояния массива, сближения вмещающих пород на кромке забоя и в глубь массива, модуля упругости угля в массиве, прочности угля на одноосное сжатие, скорости звука, трещиноватости массива, электрического сопротивления массива, величины геотоков, электрических потенциалов и магнитных составляющих поля, магнитной восприимчивости, изменения распределения температур в глубь массива, интенсивности эманационных излучений, интенсивности естественной у-активности пород, давления газа, скорости газовыделения, состава газа в массиве, концентрации метана в исходящей из забоя струе, количества подаваемого в забои воздуха, влажности массива.

Ниже рассматриваются характеристики приведенных выше параметров состояния горного массива.

1. Компоненты напряжении и прочностные свойства массива. Напряженно-деформированное состояние массива не является равномерным в пространстве и постоянным во времени. Процесс разработки полезных ископаемых вызывает локальное перераспределение поля напряжении, может происходить местное накопление потенциальной энергии упругого сжатия горных пород и высвобождение этой энергии. Поэтому очень важно следить за изменением напряженного состояния массива в процессе ведения горных работ. Проведенные исследования установили, что интервал изменения величин напряжении в массиве составляет (0-3)уН, где H — глубина залегания пласта.

Прочностные свойства массива определяют характер разрушения угольного пласта и находятся в тесной связи со структурой пор в них и влияют на характер изменения газопроницаемости углей под действием горного давления. Исследование прочностных свойств имеет существенное значение для разработки прогноза выбросоопасности угольных пластов. Установлено, что средневзвешенная условная прочность выбросоопасных пластов Донбасса составила 59 единиц, а неопасных — более 69.

2. Давление газа и скорость газовыделения характеризуют газодинамический режим пласта. Давление газа — одни из основных факторов, определяющих возникновение и развитие внезапных выбросов угля и газа. При давлении газа свыше 10 кгс/см2 пласты считают опасными по внезапным выбросам угля и газа. Известны замеренные давления газа в пласте до 100—150 кгс/см2.

Оценить влияние давления газа на выбросоопасность угольного пласта можно по скорости газовыделения из угля. Исследования показывают, что с увеличением скорости газовыделения выбросоопасность угольных пластов возрастает. Скорость газовыделения из скважин изменяется от 0 до 50 л/мин, скорость выделения метана при выбросе достигает десятков кубометров на тонну в минуту.

3. Шумность — число естественных упругих импульсов, возникающих в угольном пласте при его разработке в единицу, времени, — характеризует сейсмоакустический режим пласта.

Шумность достигает 150 импульсов в час, спектры частот имеют максимумы в области частот, равных 400—1400 Гц. Возрастание шумности в 2—3 раза и более является предвестником горного удара, посадки основной кровли или внезапного выброса.

4. Электрические параметры. На основе проведенных шахтных исследований электрических параметров угольного пласта выявлена взаимосвязь распределения потенциала естественного поля, геотоков и эффективного удельного сопротивления с параметрами прочности угля, что позволяет оценивать выбросоопасность. Кроме того, параметры электрического поля могут влиять на сорбционную емкость углей, что определяет ход и интенсивность газодинамических явлений в призабойной части пласта. Величины геотоков и геопотенциалов, замеренные в Кузбассе, достигали соответственно 100 мкА и 50 мВ. Диапазон изменения удельного электрического сопротивления для углей составляет 10в-3—10в-4 Ом/м.

5. Напряженность магнитного поля. Для относительной оценки напряженного состояния с целью прогноза динамических явлений может служить изменение вертикальной составляющей магнитного поля, которое достигает 0,175 Э.

6. Температура. Влияние температурного режима на выбросоопасное состояние массива подтверждается рядом исследовании. Как показывает практика, температура в массиве может достигать 100°C.

7. Влажность. О влиянии влажности на выбросоопасные свойства существуют противоречивые мнения. Ho ввиду сильного влияния влажности на другие свойства массива, например электрическое сопротивление горных пород, необходимо исследовать влажность как параметр состояния массива совместно с другими параметрами. Диапазон изменения влажности — 0-5%.

8. Сближение кровли и почвы характеризует деформационные свойства массива и для различных горно-геологических условий залегания пласта и типов кровли и почвы колеблется и пределах 0—150 мм.

9. Интенсивность эманации радиоактивных газов. Геологические нарушения, а также современные тектонические процессы сопровождаются повышенным выделением эманаций торона и радона. Донецкой геофизической экспедицией проведено исследование интенсивности эманационных излучений в зависимости от выбросоопасности угольных пластов. В результате исследований установлено увеличение эманаций перед выбросами угля и газа до 100 импульсов в секунду.

Перечисленные параметры в основном исследовались в статических режимах. Для полного определения состояния массива, выбросоопасного в частности, необходимо учесть динамические составляющие этих параметров. При исследовании динамических параметров состояния массива для выбора методов и систем измерения должны быть известны диапазоны изменения параметров и их частотные характеристики. Амплитуду сигнала можно регулировать чувствительностью датчиков. Диапазон частот (I ц) измеряемых параметров составляет:

- компонентов напряжений, давления газа, скорости газовыми деления, естественных переменных электромагнитных полей 0—10в5;

- величин геотоков, естественных электрических потенциалов, изменения вертикальной составляющей магнитного поля, сближения вмещающих пород — 0—10в4;

- температуры, интенсивности эманационных излучении, шумности, электрического сопротивления — 0—10в3; влажности, скорости звука — 0—10в2.

Для технической реализации рассмотренного комплексного метода исследования состояния массива горных пород в ИГД им. Л.Л. Скочинского разрабатываются системы передачи и обработки информации о состоянии горного массива. Система включает многоканальную высокочастотную систему передачи информации во взрывобезопасном исполнении и устройства обработки на базе управляющих ЭВМ типа М6000, М7000, используемых в системах ЛСУТП шахт. В связи с рядом специфических требовании к системе (простота схемных решении, низкая стоимость, малые габариты, автономность, большая длительность непрерывных наблюдении в реальном масштабе времени и т. д.) для телеметрической передачи информации принят принцип частотного разделения каналов с частотной модуляцией несущих сигналов. С учетом частотного диапазона передаваемой информации в устройстве обработки предусмотрена иерархическая структура, обеспечивающая требуемое быстродействие.

Для повышения точности передачи и обработки информации разработано телеметрическое устройство автоматической коррекции погрешностей измерений,

В результате обработки информации о состоянии горного массива могут быть решены многие конкретные задачи горной механики: прогнозирования и предотвращения различных динамических явлений (внезапных выбросов, горных ударов и т. д.); управления кровлей и состоянием горного массива; эффективной добычи полезных ископаемых и многие другие.