CC BY
13
УДК 622.8:622.411.333:525.2 © В.В. Иванов, 2017
Космофизические причины залповых поступлений
метана в горные выработки
- Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-10-32-35 -
ИВАНОВ Вячеслав Васильевич
Старший научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (СПБФ ИЗМИРАН), 199034, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: sl_iva@mail.ru
Показано, что динамика залповых поступлений метана, сопровождаемых взрывами в горных выработках (аварий) на короткопериодическом интервале, определяется нутацией земной оси и гравитационным эффектом воздействия Луны на данный процесс и согласуется с отклонением скорости вращения Земли. На годовом интервале - проявляет связь с модулем второй составляющей уравнения времени. Определены отличительные признаки распределения аварий в двух регионах, обусловленные изменением скорости вращения Земли. Выполнена оценка временных диапазонов проявления максимальной и минимальной интенсивности аварий в течение года.
Ключевые слова: метан, авария, нутация земной оси, скорость вращения Земли, перигей Луны, уравнение времени, метод наложения эпох.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ известных данных о причинах залповых поступлений метана в горные выработки (например, [1]) показал, что в ряде случаев они произошли в строго определенные моменты времени, характеризующиеся экс-
11
<U -11
11
13 15 17 19
21
Порядковый номер дня
Рис. 1. Ход изменения короткопериодической нутации с периодом 13,7сут. (кривая 1) и отклонения СВЗ (кривая 2)
тремальными явлениями в межпланетной системе Земля-Луна-Солнце, например, в периоды полнолуния, новолуния или на первые-вторые сутки после этих экстремальных фаз Луны, а также при положении Луны в перигее.
В данной работе выявлены новые эффективные кос-могеофизические факторы, достоверно влияющие на исследуемый процесс, например скорость вращения Земли (СВЗ), нутация земной оси (степень отклонения оси Земли от полюса мира) и уравнение времени, характеризующее поступательное движение Земли. Определены связи между ними.
На рис. 1 представлен ход изменения короткопериодической нутации с периодом 13,7 сут. (кривая 1) и отклонения СВЗ (ОСВЗ, кривая 2), иллюстрирующий гравитационное влияние на их динамику Луны: минимум ОСВЗ (кривая 2) соответствует перигею Луны (период - 27,55 сут.). Максимум проявляется на интервалах, включающих максимальные значения нутации (кривая 1).
Отсутствие максимума ОСВЗ в точках апогея Луны (см. рис. 1, кривая 2; точки 1, 28 на оси абсцисс) - проявление «тормозного» эффекта нутации, связанного с ее минимальными значениями в этих точках (см. рис. 1, кривая 1).
Годовая динамика ОСВЗ четко согласуется со скоростью изменения второй составляющей уравнения времени (УВ), характеризующего неравномерное поступательное движение Земли по орбите (рис. 2, кривые 1,2).
Кривые2 (см.рис. 1,2) получены с использованием данных Н.С. Сидоренкова об отклонении СВЗ за 2015 г., взятого в качестве иллюстрации и сохраняющего подобие в течение каждого года [2]. Из них первая кривая (см. рис. 1)
получена методом наложения эпох, вторая (см. рис. 2) - путем усреднения среднесуточных данных по 31 точке методом скользящего среднего.
Проявить вторую зависимость - отклонения СВЗ от скорости изменения второй составляющей УВ (см. рис. 2, кривые 1, 2) позволил известный факт [3], в соответствии с которым УВ включает две составляющие с годовым и полугодовым периодами, из них вторая принимает нулевые значения в конце декабря, марте, июне и сентябре, то есть в моменты проявления экстремальных значений ОСВЗ.
0,04
0,03
-- 0,02 £ 0,01
чс ф
0 Л
-0,01 -0,02 -0,03 -0,04
23 25
27
3
5
7
9
0,4
0,3
>5
■ ГЧ X 5 0,2
К р
5
X ф X 00 > 0,1
ф >5
р Ф 0
т Ч
5 А 2 к -0,1
Н с
О а о а Я н и -0,2
* и О и -0,3 -0,4
а
1С
а п £ н и О X
а
0,34
0,31
0,28
0,25
Ч 0,22
0,19
0,16 0,13 0,1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе статистическая обработка выполнена исключительно для случаев залповых поступлений метана, сопровождаемых взрывами в горных выработках за период 1990-2010 гг.: шахты России (48 случаев), Украины (48 случаев) и зарубежных стран (Китай, Турция и другие - 98 случаев). Для сопоставимости результатов данные по авариям для шахт России и Украины объединены.
Исследована возможная связь аварий с обозначенными во введении космогеофизическими факторами. В частности, влияние фаз Луны - моментов времени, характеризующих новолуния(НЛ)и полнолуния (ПЛ), - на интенсивность залповых поступлений метана в горные выработки для каждого из регионов. Соответствующие распределения аварий между новолуниями (синодический месяц 29,53 сут.), полученные методом наложения эпох, носят перемежающийся характер. На интервалы, включающие НЛ ±3 сут. и ПЛ ±3 сут., приходится 25, 23 и 26, 23% от общего числа аварий для шахт России, Украины (первый регион) и зарубежных стран (второй регион) соответственно. Достоверная связь между фазами Луны и интенсивностью залповых поступлений метана отсутствует.
Соответствующие распределения аварий между апогеями Луны на выделенном элементе коротко-периодической нутации (рис. 3,4, кривые 1) носят перемежающийся характер (см. рис. 3,4, кривые2; в у.е.), при котором проявляется явное совпадение экстремальных значений обоих показателей.
Максимумы и минимумы распределений аварий достоверно отличаются друг от друга, их доверительные интервалы 95% не пересекаются. В то же время динамика интенсивности аварий на шахтах первого и второго регионов отличается. Так, если в обоих случаях максимум интенсивности
аварий (см. рис. 3,4, кривые 2, точки 15 на оси абсцисс) приходится на перигей Луны, то на интервалах, включающих максимальные значения нутации, интенсивность аварий на шахтах России, Украины (см. рис. 3, кривая2) возрастает, формируя локальные максимумы, а интенсивность аварий на шахтах зарубежных стран (см. рис. 4, кривая 2) сни-
-8 ® -1б К
ой
и
-24 Ф
X
ф
X
о
с *
н
О
-32
-40
-48
-56
1 32 63 94 125 156 187 218 249 280 311 342
Дни года
Рис. 2. Динамика скорости изменения второй составляющей УВ (кривая 1) и отклонения СВЗ (кривая 2) в течение года
0,04
0,03
0,02
0,01
ч:
-0,01 -0,02 -0,03 -0,04
9 11 13 15 17 19
Порядковый номер дня
21 23 25 27
Рис. 3. Ход изменения короткопериодической нутации с периодом 13,7сут. (кривая 1) и интенсивности аварий на шахтах России и Украины (кривая 2). Вертикальные линии - доверительные интервалы 95%
а
1С
а л л
I-
и О х а
0,45
0,4 -
0,35
0,3 -
® 0,25 0,2
0,15 -
0,1
0,05
21 23 25 27
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Порядковый номер дня
Рис. 4. Ход изменения короткопериодической нутации с периодом 13,7 сут. (кривая 1) и интенсивности аварий на шахтах зарубежных стран (кривая 2). Вертикальные линии - доверительные интервалы 95%
жается до минимальных значений. В обоих случаях в точках апогея Луны (1, 28 на оси абсцисс) минимум интенсивности аварий не проявлен.
Используя метод наложения эпох, выполнено сопоставление усредненных за 21 год (1990-2010 гг.) распределений интенсивности залповых поступлений метана в гор-
8
0
0
5
7
~ са
<и >
>5
— ф
1 I
& I
¡2 § !
л Я
£ н
н и
о 8 .
И
* !
Ё I
5 I
0,6 0,5 -0,4 -0,3 -0,2 0,1 -0
94 125 156 187 218 249 280 31 1 342
Дни года
Рис. 5. Сопоставление распределений интенсивности залповых поступлений метана в течение года на шахтах России, Украины (кривая 1) и зарубежных стран (кривая 2) и вариаций модуля второй составляющей УВ (кривая 3; кривая 4 - та же кривая 3 со сдвигом по ходу времени на 17 сут.)
ные выработки (в у.е.) в течение года для шахт первого и второго регионов (рис. 5, кривые 1,2).
Отчетливо проявлен периодический характер флуктуа-ций показателя с периодом порядка трех месяцев (четыре цикла интенсивности аварий в течение года). Отношения максимальных и минимальных значений по всем циклам составляют ~ 3-10 (первый регион - см.рис. 5, кривая 1), и 6-10 (второй регион - см. рис. 5, кривая 22). Совместное сравнение распределений интенсивности аварий (см. рис. 5, кривые 1,2) и модуля второй составляющей УВ (см. рис. 5, кривая 3) показало, что экстремальные значения интенсивности аварий наступают относительно модуля - кривой 3 с отставанием на 16-18 сут. Сдвиг по ходу времени на 17 сут. кривой 3 (кривая 4) позволяет говорить о хорошей согласованности процессов: корреляция между кривыми 1,4 и 2,4 составляет 0,69 и 0,71 соответственно.
В то же время в динамике первого и четвертого циклов интенсивности аварий на шахтах России, Украины (см. рис. 5, кривая 1) и зарубежных стран (см.рис. 5, кривая2) согласованность явно нарушена. Процесс повышения интенсивности аварий от минимума до максимума начинается значительно раньше на шахтах зарубежных стран. Максимумы показателя (см. рис. 5, кривые 1,2) отстоят друг от друга на 16-18 сут. Суммарная интенсивность аварий на интерва-
лах первого и особенно четвертого цикла для обоих регионов существенно меньше, чем для второго и третьего циклов.
Наличие выраженной периодичности интенсивности аварий в течение года (см. рис. 5, кривые 1, 2) позволяет оценить временные диапазоны превышения максимального порогового уровня показателя (>0,25 у.е.) и уровня ниже минимального порогового (<0,15 у.е.) и ожидаемые моменты (даты) максимальных и минимальных значений интенсивности аварий в этих диапазонах для шахт России, Украины (Р+У) и зарубежных стран (З) (см. таблицу; в строке - кривая 4: Т ~ 91 сут. -прогнозируемые данные).
Из таблицы следует, что экстремальные значения кривой 4 (период ~ 91 сут.) и интенсивности аварий в обоих регионах на интервалах второго и третьего циклов почти совпадают. Несогласованность составляет в среднем 3,8 сут. - для максимальных значений, 2,8 сут. - для минимальных значений циклов. Значения этих показателей для первого и четвертого циклов - 6,3 и 15,8 сут.
Средние интенсивности аварий на интервалах с уровнем сигнала >0,25 и < 0,15 у.е. для обоих регионов примерно одинаковые и составляют 0,40 и 0,16 %/сут. соответственно (общее число аварий принято за 100%).
ОБСУЖДЕНИЕ
Прежде всего отметим, что отклонение СВЗ связано с нутационными процессами Земли и в значительной мере определяется их динамикой. На короткопериодических интервалах (см. рис. 1) совместно с нутацией динамику ОСВЗ определяет гравитационный эффект воздействия Луны, обусловленный сближением с Землей (перигей) и удалением от нее (апогей).
Если в точке 15 на оси абсцисс (см. рис. 1) оба фактора действуют согласно - в направлении снижения ОСВЗ до минимума, то отсутствие максимума ОСВЗ в точках 1, 28, соответствующих апогею Луны, связано с влиянием нутации.
Временные диапазоны превышения максимального порогового уровня интенсивности аварий (>0,25 у.е.) и уровня ниже минимального порогового (<0,15 у.е.) и прогнозируемые моменты (даты) ее максимальных и минимальных значений в течение года
Регионы Уровень сигнала Расположение на годовом интервале: 1.01-31.12
(у.е.) 1 цикл 2 цикл 3 цикл 4 цикл
Р+У (ср.) >0,25 25.02-25.03 11.05-18.06 3.08-18.09 22.11-7.12
<0,15 4-15.02 6-30.04 7-24.07 15.10-22.11
З (ср.) >0,25 1.02-21.03 30.04-22.06 1.08-28.09 5.11-6.12
<0,15 22-30.01 13-26.04 6-24.07 2-13.10
Р+У (ср.) Мах 14.03 1.06 28.08 29.11
Min 9.02 19.04 18.07 4.11
З (ср.) Мах 24.02 25.05 5.09 21.11
Min 26.01 22.04 16.07 6.10
Кривая 4: Мах 1.03 31.05 30.08 29.11
Т ~ 91 сут. Min 15.01 16.04 16.07 15.10
Анализ распределений интенсивности аварий в первом и втором регионах (см. рис. 3,4, кривые 2) на том же интервале нутации показывает, что их динамика так же, как и ОСВЗ, но с обратным знаком, определяется нутацией и гравитационным эффектом воздействия Луны. Это заключение в полной мере относится ко второму региону (см. рис. 4, кривая 2), в котором эффективность воздействия ОСВЗ на исследуемый процесс проявлена сильнее. Наличие локальных максимумов интенсивности аварий в первом регионе (см. рис. 3, кривая2) связано с ослаблением в этом районе действия на исследуемый процесс СВЗ и проявлением на этом фоне эффекта гравитационного влияния Луны.
На годовом интервале ОСВЗ проявляет подобный характер с динамикой скорости изменения второй составляющей УВ (см. рис. 2, кривая 1), которая, заметим, также согласуется и со скоростью изменения уравнения равноденствий, характеризующего неравномерное вращательное движение Земли.
Более раннее (на 16-18 сут.) наступление процесса повышения интенсивности аварий от минимума до максимума на шахтах второго региона в первом и четвертом циклах распределения показателя (см.рис. 5, кривая2), как и наличие локальных максимумов интенсивности аварий в первом регионе (см. рис. 3, кривая 2), связано со значительным (более чем в 1,5 раза) превышением СВЗ в регионе зарубежных стран, обусловленным расположением шахт на широте 60-45° по сравнению с широтой 50-20° - для шахт первого региона.
Снижение суммарной интенсивности аварий на интервалах первого и особенно четвертого цикла показателя для обоих регионов обусловлено сезонным ходом абсолютной скорости Земли ±30 км/с с максимумом в декабре -390 км/с, минимумом в июне - 330 км/с и максимальной аберрацией осенью и весной [4, 5].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выборочное использование лишь части (~25-30%) от общего числа исходных данных за период 1990-2010 гг. вызвано необходимостью исследовать только те залповые поступления метана из недр Земли, которые сопровождаются взрывами. Такой подход к исследуемой проблеме связан с тем, что подобного рода земные процессы носят глобальный характер, а их интенсивность и фазовые характеристики определяются космогеофизически-ми факторами. Наличие целого ряда отличительных признаков между распределениями интенсивности аварий в первом и втором регионах, обусловленных их расположением в непересекающихся интервалах географических широт, подтверждает данное предположение. А тот факт, что даже при относительно малом числе исходных данных в ходе показателя были обнаружены ритмические особенности с достоверно проявленными максимумами и минимумами (ДИ 95%), позволяет считать полученные результаты вполне убедительными.
Практическое использование результатов исследования очевидно. Появляется возможность разработки конкретных мер по снижению (или исключению) аварийных ситуаций в особо опасные временные интервалы, проявляемые как в течение года (см. таблицу), так и в моменты перигея Луны или максимумов короткопериодической нутации, данные о которых можно найти, например, в Интернете.
Список литературы
1. Сидоренков Н.С. Нестабильность вращения Земли // Вестник Российской академии наук. Т. 74, № 8, 2004, С. 701-715.
2. Шулейкин В.В. Взаимодействие звеньев в системе «Океан-Атмосфера-Материки» // Природа. 1971. № 10. С.12.
3. Иванов А.А. Курс астрономии. Л., М.: Изд. Главсевмор-пути, 1940. 303 с.
4. Ефимов А.А., Заколдаев Ю.А., Шпитальная А.А. Астрономические основания абсолютной геохронологии // Проблемы исследования Вселенной. 1985. № 10. С. 185-201.
5. Время и звезды: к 100-летию Н.А. Козырева. СПб.: Нестор-История, 2008. 790 с.
SAFETY
UDC 622.8:622.411.333:525.2 © V.V. Ivanov, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 10, pp. 32-35
Title
COSMOPHYSICAL CAuSES OF VOLLEY PROCEEDS OF METHANE IN MINE wORKING
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-10-32-35
Author
Ivanov V.V.1
1 St. Petersburg Branch of the Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences, Saint-Petersburg, 199034, Russian Federation
Authors' Information
Ivanov V.V., Senior research associate, e-mail: sl_iva@mail.ru Abstract
It is shown that dynamics of volley intakes of methane which are followed by explosions in the mine working (accidents) on a short-periodic interval is determined by the nutation of Earth axis and Gravity effect influence of Moon on this process and is coherently to a deviation of Earth rotation speed. On an annual interval - shows relation with the module of the second constituent of the equation of time. It is defined an distinctive signs of accidents distributions in two regions which are caused by change of Earth rotation speed. It is estimated an temporal ranges of maximal and minimal manifestation of accidents intensity is executed during a year.
Keywords
Methane, Accident, Earth axis nutation, Earth rotation speed, Perigee of Moon, Equation of time, Overlay of epochs method.
References
1. Sidorenkov N.S. Nestabil'nost' vrashcheniya Zemli [Earth rotation instabilities]. Vestnik Rossiyskoy Akademii Nauk - Newsletter of the Russian Academy of Science, Vol. 74, no. 8, 2004, pp. 701-715.
2. Shuleikin V.V. Vzaimodeystvie zven'ev v sisteme "Okean-Atmosfera-Materiki" [Interaction of "Ocean - Atmosphere - Mainlands" system links]. Priroda - Nature, 1971, no. 10, pp. 12.
3. Ivanov A.A. Kurs astronomii [Astronomy course] Leningrad, Moscow. Glavsevmorputi Publ., 1940, 303 p.
4. Efimov A.A., Zakoldaev Yu.A. & Shpital'naya A.A. Astronomicheskie osnovaniya absolyutnoy geohronologii [Astronomic bases of absolute geologic dating]. Problemy issledovaniya Vselennoy- Universe Investigation Issues, 1985, no. 10, pp. 185-201.
5. Vremya i zvezdy: k 100-letiyu N.A. Kozyreva [Time and stars: on N.A. Kozyrev's 100-th anniversary]. St. Petersburg, Nestor-Istoriya Publ., 2008, 790 pp.
