CC BY
51
УДК 622.831.325
В.А.Рудаков, Л.П.Белавенцев, П.В.Потапов,
В.В.Славолюбов, А.Я.Каминский
НЦ ВостНИИ
Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов
Приведена физическая сущность геофизических методов исследований геомеханического состояния угольных массивов, реализуемых НЦ ВостНИИ в шахтах Кузбасса для определения выбросоопасных зон, и результаты применения их с целью оценки аэродинамических характеристик ленточных целиков
Из существующих геофизических методов исследований состояния угольных массивов в шахтах НЦ ВостНИИ применяет методы электроразведки и электромагнитной эмиссии. Их преимуществом являются надежность и простота получения и обработки экспериментальных данных, что подтверждается многолетним опытом использования этих методов в шахтах Кузбасса и других угольных бассейнов России для выявления потенциально выбросоопасных зон угольных пластов в пределах оконтуренных выемочных столбов.
Для реализации этих методов исследований используется аппаратура типа «ШЭРС» и «Волна».
Аппаратура «ШЭРС» применяется также для решения задач горнодобывающей промышленности, инженерной геологии и рудничной геофизики, в частности, для изучения нарушенности массива горных пород впереди забоя горной выработки и оконтуренного столба лавы, участков интенсивной трещиноватости вмещающих угольный пласт пород и др.
Сущность методов электроразведки (экваториально-дипольного и экваториально-дипольного параллельного электропросвечивания) заключается в том, что электрическое поле создается и регистрируется синхронно перемещаемыми питающим и измерительным диполями.
Аппаратура "ВОЛНА" предназначена для оценки степени опасности по динамическим явлениям участков забоев горных выработок, пройденных по угольным пластам.
Работа прибора основана на регистрации электромагнитных сигналов, которые излучаются из массива горных пород. При этом уровень сигналов зависит от геомеханического состояния массива.
Эффективность применения вышеуказанных методов для установления выбросоопасных зон впереди очистных забоев и в оконтуренных выемочных столбах подтверждается положительными результатами многолетнего применения их в шахтах России.
В последние годы на шахтах Кузбасса значительно повысился уровень прогрессивных технологий с применением зарубежных и отечественных комплексов нового технического уровня, которые характеризуются как повышенной нагрузкой на забой, так и большой длиной выемочных столбов и лав. При этом наблюдается значительное повышение депрессии выемочных участков, обусловливающих возрастание утечек воздуха через межлавные целики. Это явление нежелательно с точки зрения управления режимом проветривания выемочных участков и, особенно, в части повышения эндогенной пожароопасности горных работ.
Расчетная ширина ленточных целиков с учетом влияния опорного горного давления предполагает сохранение в них воздухонепроницаемого ядра. Однако на практике всегда существуют участки, на которых эти целики имеют нарушения сплошности (геологические нарушения, сбойки, дегазационные скважины и т.п.). Выявления зон повышенной воздухопроницаемости целиков путем замера количества воздуха по длине выработки не представляется возможным в связи с большими погрешностями измерений в сечениях выработки вне замерных станций. Проведение прямых замеров утечек воздуха через ленточные целики весьма трудоемко в связи с необходимостью бурения большого количества шпуров. В то же время, как указывалось выше, эффективность и достоверность оценки геомеханического состояния угольных массивов геофизическими методами уже доказана практикой.
В связи с этим наиболее перспективным представляется производить оценку воздухопроницаемости ленточных целиков комбинированным способом, сущность которого заключается в оценке степени трещиноватости ленточного целика по всей его длине методами электроразведки и электромагнитной эмиссии с последующими прямыми замерами скоростей фильтрации воздуха через целик в выявленных аномальных зонах повышенной трещиноватости.
Вышеуказанный комбинированный способ был применен в ООО "Шахта "Колмогоровская-2" для оценки воздухопроницаемости ленточных целиков между магистральным и путевым 1 штреками и путевым и конвейерным стволами.
По результатам измерений электромагнитного излучения в магистральном штреке выявлены аномальные зоны на участках от 54 до 66-го пикета и в окрестности 82-го пикета (рисунок 1).
I 1турсч=утт^т
Т-Г1
N2
Рисунок 1 - Результаты измерения электромагнитного излучения в магистральном штреке
(обычная шкала)
Для более детального рассмотрения из-за большой разницы в значениях электромагнитного излучения данные представлены в логарифмической шкале (рисунок 2).
Для дипольного электрического зондирования в подземных условиях применялся комплект аппаратуры «ШЭРС-5М» (рисунок 3).
Зондирование ленточного целика производилось на глубинах 3, 7, 10 и 15 м.
В результате проведенных геофизических работ, включающих измерение активности электромагнитного излучения и дипольное электрическое зондирование, выявлена зона интенсивной трещиноватости ленточного целика в интервале 610 - 710 м, считая от флангового уклона.
Пикеты
ж---- N1 ------^--- М2
Рисунок 2 - Результаты измерения ЭМИ в магистральном штреке (логарифмическая шкала)
Геофизические пикеты
Рисунок 3 - График разности потенциалов метода экваториально-дипольного электрозондирования ленточного целика угольного пласта Полысаевского II между путевым и магистральным штреками шахты «Колмогоровская-2» на глубину 12 м
Замеры скоростей фильтрации воздуха через ленточный целик производились с помощью микроанемометра "Paul" (Германия).
Для количественной оценки утечек воздуха в выявленной зоне повышенной трещиноватости было пробурено 10 шпуров с интервалом 10 м.
Измерение скоростей утечек воздуха через целик определялось следующим образом. Шпур герметично перекрывался герметизатором у забоя шпура. Затем к газовыводящей трубке подключался микроанемометр "Paul". Зафиксированная "фиктивная" скорость фильтрации воздуха через целик переводилась в фактическую по коэффициенту перехода. Для использованной при измерениях насадки прибора с учетом диаметра шпура коэффициент перехода составлял k = 75.
Результаты инструментальных измерений и фактические скорости фильтрации воздуха через ленточный целик угля между путевым 1 и магистральным штреками представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты замеров скоростей фильтрации воздуха через целик
Место расположения шпура Скорость фильтрации воздуха через целик, м/с
фиктивная фактическая
В 50 м от сбойки № 33 в сторону флангового ствола 0,17 0,0023
-«- 40 м -«- 0,11 0,0015
-«-30 м -«- 0,1 0,0013
-«-20 м -«- 0,05 0,0007
-«-10 м -«- 0,07 0,0009
В 10 м за сбойкой № 33 от флангового ствола 0,2 0,0027
-«- 20 м -«- 0,16 0,0021
-«- 30 м -«- 0,08 0,0011
-«- 40 м -«- 0,15 0,0020
-«- 50 м-«- 0,14 0,0019
Из таблицы 1 следует, что установленная геофизическими методами зона повышенной трещиноватости, действительно, имеет высокую воздухопроницаемость и требует дополнительных мероприятий по ее упрочнению, что и было рекомендовано ООО «Шахта Колмогоровская-2».
После выполнения тампонажа выявленного участка повышенной трещиноватости ленточного целика клеем Marithan NP повторное его обследование показало отсутствие прососов воздуха в этой зоне. Количество утечек воздуха из очистного забоя через выработанное пространство лавы после тампонажа, установленного в ходе обследования участка ленточного целика, умень-
3
шилось с 240 до 80 м /мин.
При проведении электроразведки ленточного целика между путевым и конвейерным стволами по пласту Полысаевскому II электрическое поле создавалось и регистрировалось синхронно перемещаемыми питающим и измерительным диполями, расположенными в разных выработках и ориентированными параллельно выработке. Расположение и перемещение диполей в методе ЭДЭП-П осуществлялось параллельно друг другу, а в методе ЭДЭП-П-У со смещением питающего диполя относительно приемного вправо и влево на 60 м. Шаг перемещения при наблюдениях методами ЭДЭП-П и ЭДЭП-П-У составлял 10 м (рисунки 4 и 5).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Геофизические пикеты
Рисунок 4 - Результаты экваториально-дипольного электропросвечивания (ЭДЭП) целика
между путевым и конвейерным стволами
Рисунок 5 - Результаты измерения электромагнитного излучения в целике угля между
путевым и конвейерным стволами
Результатами геофизического обследования целика методами электромагнитной разведки и электромагнитной эмиссии было установлено, что на фоне общей трещиноватости целика между путевым и конвейерным стволами резко выделяется зона повышенной трещиноватости, которая распространяется по путевому стволу на протяжении от 224 до 264 м от его устья.
Инструментальными прямыми замерами утечек воздуха через целик между стволами на этом участке также было установлено аномальное увеличение скоростей фильтрации воздуха от 0,0007 до 0,0027 м/с.
Результаты выполненных исследований позволяют утверждать, что геофизические методы исследований геомеханического состояния угольных массивов могут эффективно использоваться для определения зон повышенной трещиноватости (повышенной воздухопроницаемости) ленточных целиков.
