ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Частное техническое решение, имеющее самостоятельное значение.

При разработке рудных месторождений большие материальные затраты связаны с ликвидацией последствий динамических проявлений процессов, происходящих в массивах горных пород. Ниже приведены краткие сведения, характеризующие динамическую активность массивов Таштагольского железорудного месторождения.

С 1984 г. до 1988 г. произошло около 450 случаев динамического проявления массивов пород, из них 2 собственно горных удара, 4 микроудара, 400 толчков (одним из сильных толчков была разрушена часть ствола, 1987 г.), вспучивания почвы (в одном из случаев электровоз был прижат к кровле) и выбросы (в особенности, на гор.- 280 м). Собственно горный удар произошел в 1984 г. в северо-западном полевом штреке, эквивалентный 12 -15 кг ВВ, микроудар - в забое орта 17 rop.- 280 м, эквивалентный 7-9 кг ВВ, с выбросом более 6 м ³ пород и ряд других горных ударов и толчков произошли за этот период на горизонтах -140 м, -210 м -280 м.

В период с 1988 г. по 1990 г., кроме шахтной динамики, произошло несколько случаев землетрясений и более 800 толчков в окрестности шахтного поля.

В качестве мер предотвращения катастрофических проявлений массивов пород применялось использование нарезных щелей, камуфлетное взрывание ВВ, уменьшение мощности массовых взрывов и рассредоточение их проведения по разным горизонтам и штокам. Однако при интенсивном ведении горных работ и увеличении их глубины, бороться с проявлениями шахтной динамики становится сложнее.

Возможно, используемые меры предотвращения катастрофических разрушений массивов пород в какой-то степени уменьшают мощность и интенсивность их проявления, но значительный успех в этой области ни в одной шахте не был достигнут

Проблемы, связанные с трудностями предсказания поведения массива пород и управления этим поведением, известны - это его сложное структурно-текстурное строение. Состояние массива зависит от ведения горных работ и глубины его нахождения, минерального и химического состава пород, количества полостей, активности ведения горных работ и тектонических процессов, близости участков землетрясений и многих других причин.

Наиболее достоверными являются методы электрометрии и дискования керна, которые в настоящее время используются службами прогноза горных ударов.

На основе исследований ЭМИ от гамма- до радиодиапазонов в условиях рудных шахт, разработан новый оперативный геофизический метод фотонной эмиссии, позволяющий выделять нагруженные массивы и определять степень их удароопасности. На рис.1 представлены результаты исследований спектральных характеристик фотонной эмиссии горных пород на глубине 660 м в условиях Таштагольского рудника. Сначала находят участок с фоновым излучением в инфракрасном диапазоне, в котором частота начинает увеличиваться. Регистрацию информации ведут с помощью фотоэлектронного умножителя (400 - 1200 нм) и образцовых светофильтров. Исследования естественного состояния массива, состоящего из диорит-порфиритов с сиенитовыми прослойками, велись в режиме счета фотонов с поверхности скважины на расстоянии 7,2 м от контура выработки. В описанных условиях обычно наблюдается излучение, вызываемое тектоническими процессами, график 1, рис.1. В случае повышения напряженно-деформированного состояния (НДС) исследуемого участка скальных пород, внешние электронные оболочки атомов деформируются, распределение энергии связей приводит к химическим превращениям и к возрастанию энергии ковалентных связей. Диапазоны энергий регистрируемых фотонов составляют 1,2-12 эВ, при этом сначала увеличивается длинноволновая часть излучения, затем - видимая и коротковолновая части, график 2, рис.1.

Повышение интенсивности излучения фотонов с большей энергией, наблюдаемой на цифровом табло прибора при смене стекол во входном окне датчика от светофильтра для красного цвета до кварцевого стекла для ультрафиолетового света, указывает на последовательность заполнения возбуждениями атомных уровней, заселение более глубоких атомных уровней связано с повышением механической нагрузки.

Характеристики фотонной эмиссии изверженных пород в зоне активного ведения горных работ исследовались на глубине 800 м в режиме счета импульсов. Регистрация информации велась с поверхности скважины на расстоянии 1,2 м от ее устья с помощью различных типов фото- электронных умножителей в диапазоне 100 - 1200 нм. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.

При состоянии массива, соответствующем второй категории удароопасности, начинается видимое излучение, график 3, затем интенсивное излучение происходит в ультрафиолетовом диапазоне частот, график 4, что является следствием последовательного заполнения возбуждениями более глубоких уровней атомов. В массиве появляются щелчки вследствие образования трещин, а в кровле выработки происходят процессы заколообразования и шелушения, наблюдаемые визуально, интенсивность и частота излучения возрастают на один-два порядка. В излучении появляются длительные импульсы, связанные с разрушением в породах друз, кальцитовых прослоек и менее прочных химических связей в цементирующем минеральные зерна веществе.

По максимальной частоте излучения определяется глубина возбуждения уровней атомов, а потенциальная энергия горных пород определяется по предыдущим заполненным энергией уровням. Известно, что литосфера состоит из массивов пород, имеющих блочное строение. С этой точки зрения плиты, мегаблоки, макро- и микроблоки, минеральные частицы и химические элементы представляют компоненты литосферы или земной коры. С увеличением размеров компонентов их прочность уменьшается. Например, прочность атомов больше прочности химических элементов, прочность химических элементов больше прочности минеральных частиц и т.д. На основе исследований фотонной эмиссии с поверхностей скважин общей длиной около 3,8Ч10 ⁴ м и с поверхностей выработок общей длиной примерно 4Ч10 ⁴ м разработана квантово- физическая теория строения и состояния компонентов земной коры.

Для получения более полной информации регистрируют электромагнитное излучение макро- и микроблоков, микрочастиц в радиодиапазоне с помощью ЕГ-6 и РВИНДСа, химических элементов в оптическом диапазоне с помощью ИФЭ-1 и ИФЭ-2 атомов в рентгеновском диапазоне с помощью ДРГЗ-02 и в гамма- диапазоне - ДРГЗ-01.

Установлено, что по длинам волн регистрируемых фотонов можно определять величины радиусов излучающих их компонентов и, следовательно, определять энергетические состояния компонентов.

Преимущество метода фотонной эмиссии заключается в том, что в известных методах напряжение и прочность пород определяются путем косвенных измерений силовых характеристик, при измерениях энергетических параметров пород применятся бесконтактное прямое измерение энергии фотона с ограниченной частотой энергии соответствующего основного уровня атома. Кроме того, регистрируемая максимальная частота указывает на уровень заполнения атомов возбуждениями, что позволяет определять степень удароопасности малого блока или краевой части и участка среднего блока.

Таким образом, параметрыlиeявляются основными также для прогноза горных ударов, как и для строения и состояния земной коры.

Определяется: энергия фотонаe_ф; скорость счета фотонов (1 имп. = 1,5Ч10 ³ фотона) -n(фот/с), параметры компонентов -l,e, их прочностьs.

Рис. 1. Результаты исследований спектральных характеристик

фотонной геоэмиссии (1 имп. = 1,5Ч10 ³ фот.):

а - в зоне отстаиваемых горных выработок (ФЭУ-83, светофильтры);

б - в зоне активного ведения горных работ (ФЭУ с различными областями максимальной чувствительности).