способ контроля устойчивости горного массива

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНОГО МАССИВА, включающий определение содержания ртути в образцах породы, отбираемых при проведении горной выработки, и установление по нему устойчивости массива, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и оперативности своевременного предупреждения о переходе участка массива в неустойчивое состояние вследствие изменения его предельного равновесия, содержание ртути определяют непрерывно на исходящей вентиляционной струе горной выработки, устанавливают ее максимальное по условию устойчивости массива содержание и при выходе содержание ртути за пределы указанного максимального содержания устойчивость массива считают полностью потерянной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для своевременного предупреждения о переходе участка массива в неустойчивое состояние (внезапные выбросы породы, угля и газа, горные удары, разрушение предохранительных целиков и др. ) вследствие изменения его предельного равновесия.

Известен способ контроля устойчивости горного массива, включающий определение содержание ртути в образцах породы, отбираемых при проведении горной выработки, и установление по нему устойчивости массива.

Основные недостатки этого способа:

1. Для забоев предусматривают периодическое опробывание пласта, распространяемое до следующей проверки, в течение которой забои не контролируются. В условиях относительно высокой скорости подвигания забоев и локальности проявления выбросоопасности периодический контроль за выбросоопасным состоянием забоев при технологически осуществимой его частоте может не обеспечить своевременного обнаружения выбросоопасного состояния забоев или приведет к неоправданному снижению технико-экономических показателей работы участка, шахты, когда будут выполняться профилактические мероприятия на участках, где они не вызываются необходимостью;

2. По современным представлениям выбросоопасность пласта может проявляться в результате динамического положения природных, горнотехнических и технологических условий разработки полезных ископаемых. Поэтому выбросоопасные зоны, формируемые под влиянием этих условий, не располагаются в местах с однозначно определенными координатами;

3. Анализ методов контроля, например выбросоопасности пластов и эффективности защитных мероприятий, показывает, что частота, плотность и периодичность наблюдений устанавливается волевым способом, в лучшем случае обоснованном традициями, или интуитивно;

4. В основном пласт, например, угля представлен несколькими пачками угля, разделенными прослоями, степень опасности которых различна, поэтому место отбора по мощности пласта носит субъективный характер.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что для надежного и оперативного контроля напряженного состояния горного массива необходим непрерывный контроль этого состояния.

Цель изобретения - повышение достоверности и оперативности контроля своевременного предупреждения о переходе участка массива в неустойчивое состояние вследствие изменения его предельного равновесия.

Предельное равновесие горного массива - это состояние массива, при котором напряжении в слагающих его породах достигают передела прочности и образуется одна или несколько поверхностей скольжения.

Известно, что в исходном состоянии рассматриваемый массив находится в состоянии устойчивого равновесия. Проведение в этом массиве горных работ выводит его из равновесного состояния, происходит перераспределение напряжений, вызывающее упругие деформации, которые достигают критических значений, и разрушение.

Указанная цель достигается тем, что содержание ртути определяют непрерывно на исходящей вентиляционной струе горной выработки, устанавливают ее максимальное по условию устойчивости массива содержание и при выходе содержания ртути за пределы указанного максимального содержания устойчивость массива считают полностью потерянной.

Существенность указанных отличительных признаков предложенного способа подтверждена экспериментально выходом паров ртути из образцов угля и пород в зависимости от степени их нагружения. Наблюдаемые выходы паров ртути из образцов при нагружении связаны с процессами подготовки этих образцов к разрушению и могут быть использованы для его предсказания. Предельное равновесие угля и пород в режиме динамического нагружения характеризуется максимальным выходом паров ртути с последующим разрушением угля и породы при пониженном их выходе. Данный способ контроля напряженного состояния горного массива повышает в сравнении с прототипом точность определения содержания ртути с 10^-5 до 10^-11 г.

При проведении патентного поиска не выявлено известных технических решений, имеющих указанные признаки и обеспечивающих достоверность выхода паров ртути при динамическом нагружении угля, породы 10^-11 г, что позволяет считать эти признаки существенными.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства для контроля напряженного состояния горного массива, где ртутный фотометр 1, фотоумножитель 2, преобразователь ток-частота (ПТЧ) 3, частотомер 4, самописец 5, ЭВМ 6; на фиг. 2 - принципиальная схема фотометра, где накопительный элемент 7, микропроцессор 8, кювета 9, высокочастотная безэлектродная лампа 10, таймер 11 и источник 12 напряжения.

Способ заключается в следующем.

На исходящей вентиляционной струе горной выработки устанавливают ртутный фотометр 1. Исследуемый поток воздуха прокачивают микрокомпрессором 8 через накопительный элемент 7. В результате поглощения ртути из воздуха накопительным элементом 7 в течение заданного таймером 11 времени элемент 7 нагревают до 500^oC пропусканием электрического тока от источника 12 напряжения. Ртуть, накопленная в элементе 7, испаряется и потоком воздуха подается в кювету 9 фотометра 1, освещенную высокочастотной безэлектродной лампой 10. Пары ртути под действием излучения высокочастотной лампы 10 флуоресцируют, интенсивность флуоресценции регистрируют фотоумножителем 2. Сигнал с выхода последнего подают чрез последовательно соединенные ПТЧ 3, частотомер 4 и самописец 5. Одновременно этот сигнал подают на ЭВМ 6, установленную в административно-бытовом комбинате шахты (рудника).

Величина фототока фотоумножителя 2 пропорциональна интенсивности флуоресценции в накопительном элементе 7 фотометра 1 и зависит от концентрации ртути, содержащейся в исследуемом воздухе.

Практикой доказано, что содержание ртути в углях связано не только с процессом угленакопления, наличием сульфидов железа, реже легкоподвижных ее соединений и металлической ртути, но и в основном с пространственным расположением участков тех или иных пластов угля отдельных марок по отношению к определенным тектоническим структурам или гидротермальным сульфидным месторождениям.

Контроль за напряженным состоянием изучаемого участка горного массива осуществляет горный надзор шахты (рудника) или их специальные службы (самописец 5), а также диспетчер предприятия (ЭВМ 6).

Для повышения точности своевременного и надежного определения момента входа участка горного массива в опасную зону необходимо отменить взрывные работы с гремучертутно-тетриловыми и азидтетриловыми детонаторами, инициирующим составом которых является гремучая ртуть и азид свинца с тенерсом. При взрыве, как показала практика, гремучая ртуть распадается на сомородную ртуть с выделением угарного газа и азота. Большая часть выделившейся при взрыве ртути удаляет вентиляционным потоком, а некоторое количество откладывается на стенках выработок, проникает в поры и трещины угля и пород и образует устойчивые соединения.

П р и м е р. В качестве ртутного фотометра 1 применен атомно-флуоресцентный фотометр (РАФФ) конструкции института геохимии и аналитической химии им. Вернадского АН СССР, имеющий следующую техническую характеристику. Элементарная база фотометра ИМС серии 561 Габариты, мм 400 х 200 х 100 Масса, кг 6 Предел обнаружения фотометра 10^-11 г ртути Интервал определяемых содержаний 10 пг - 100 нг Мощность, потребля- емая от сети перемен- ного тока, не превы- шает, Bа 30

Фотоумножитель 2 ФЭУ - 71 или ФЭУ - 39, ПТЧ 3, частотомер 4, самописец 5 КСП-4 ЭВМ 6, микропроцесср 8, высококачественная безэлектродная лампа 10 ИВР или ВСБ-2, таймер 11, источник 12 напряжения выпускаются отечественной промышленностью или могут быть собраны из элементной базы.

Основное преимущество предлагаемого способа в сравнении с прототипом - повышение достоверности (с 10^-5 до 10^-11 г) и оперативности предупреждения работающих о переходе участка горного массива в опасное состояние.

Экономический эффект в денежном выражении не подсчитывался, так как предлагаемый способ контроля напряженного состояния горного массива имеет социальную направленность в аспекте повышения безопасного ведения горных работ при освоении месторождений полезных ископаемых подземным способом.

Лабораторные исследования выхода паров ртути из образцов угля и пород при их нагружении.

Произведен отбор проб угля и пород кровли на шахтах ведущих бассейнов страны (Донецкого и Карагандинского) и изготовлены из них образцы кубической (или близко к ней) формы, с высотой ребра 45 мм.

Места пробоотбора угля и породы и характеристика степени их опасности указаны в таблице.

В лаборатории изотопной геохимии, космохимии и геохронологии Геохи АН СССР с помощью недисперсионного атомно-флуоресцентного ртутного фотометра определено содержание ртути в образцах угля, породы кровли пласта. Экспериментально установлено, что содержание ртути в углях пластов, отнесенных к неопасным, опасным и особо опасным по внезапным выбросам, горным ударам, изменяется в пределах (0,22-1,8)10^-4 мас. % (табл. 1). Приведенные результаты свидетельствуют о том, что судить о выбросоопасности угольных пластов, отнесенных к неопасным, по выходу паров ртути при их нагружении, не корректно.

Для исследования кинетики выхода паров ртути из образцов каменного угля и породы при их одноосном нагружении была изготовлена из полиметилакрилата толстостенная ячейка.

Герметичность ячейки обеспечивалась притиркой крышки к телу ячейки с последующим контролем герметичности под давлением 160 мм вод. ст. Образец угля и породы помещался в ячейку, к выходному и выходному отверстиям которой последовательно полиэтиленовыми трубками подключились микрокомпрессор и накопительный элемент. Ячейка устанавливалась на плунжер лабораторного гидравлического пресса, обеспечивающего максимальное усиление 10 т.

Выход ртути из образцов в зависимости от степени их нагружения определялся с помощью фотометра.

В отсутствие давления в цилиндре пресса, в течение 10 мин (позднее использовалась экспозиция 6 мин) производилось осаждение ртути в накопительном элементе. После экспонирования накопительный элемент заменялся на свежий и эта процедура повторялась трижды. Затем давление в цилиндре пресса поднималось ступенями вручную и поддерживалось неизменным на каждой из ступеней в течение времени экспонирования. По окончании экспонирования накопительный элемент заменялся на свежий, а на экспонированном измерялось количество сорбированной ртути. Каждый эксперимент продолжался до разрушения образца. После разрушения трижды измерялось количество ртути, выделившейся из образца после разрушения.

Анализ выполненных исследований позволил выявить закономерность наибольшего выхода ртути в процессе лавинного трещинообразования накануне разрушения образца. Наибольшее количество ртути, освобождаемое незадолго до разрушающей нагрузки, связано с формами ее осуществления в угле породе. Известно, например, что элементарная ртуть может скапливаться в местах нарушений, разрушение пор и трещин сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала, а также преобразованием ртутных соединений в элементарную ртуть.

Чередования возрастаний со спадами выхода паров ртути с ростом нагрузки обусловлены гетерогенностью и неоднородностью свойств и неоднородностью угля, породы, процессами сорбции и десорбции ртути с увеличением площади плоскостей ослабления в испытуемых образцах.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности предсказания предельного равновесия горного массива (внезапных выбросов, горных ударов, разрушений целиков и др. ) по изменению концентрации ртути на исходящей вентиляционной струе выработки.