ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Цель - определение физико-механических характеристик блоков шахтных массивов по фотонной эмиссии горных пород.

По результатам исследований фотонной геоэмиссии горных пород наблюдается активность излучения в ряду: туф, сланец, известняк, порфирит, диорит, гранит, скарн, магнетитовая руда. В этом ряду могут меняться местами порфирит, диорит и сиенит, гранит и скарн в зависимости от содержания железа, причем величина свечения в основном зависит не от проводимости пород, а от величины их прочности. Интенсивность фотонной геоэмиссии у неоднородных горных пород при одинаковой их прочности зависит от генезиса и петрофизического строения. В этом случае активность свечения определяется содержанием атомов n i, Со, fе, Т i, то есть плотностью пород.

У образцов пород свечение начинается перед потерей несущей способности, и основная часть энергии выделяется в момент разрушения. В натурных условиях на больших глубинах, начиная от 300 м и более, фоновое свечение в скважинах наблюдается всегда при регистрации с помощью фотоэлектронного умножителя. Кроме интенсивности, важной характеристикой является также частота излучения или длина волны. Скорость повышения нагрузки или приращение геомеханического напряжения во времени характеризуется повышением интенсивности фотонной геоэмиссии и увеличением ее частоты в области максимальной чувствительности датчика.

Длительность процессов нагружения массива и, соответственно, повышение показаний прибора до критических значений оцениваются от нескольких часов до нескольких дней. При этом дефекты, имеющиеся в породах, способствуют появлению систем микротрещин и импульсной составляющей фотонной геоэмиссии, постоянная часть которой излучается атомами, находящимися на поверхностях скважины или выработки.

Появление микротрещин связано с разрывами энергий связи между микрокомпонентами - химическими элементами и малыми минеральными частицами. Укрупнение трещин в нагружаемом объеме продолжается по стыкам все более крупных компонентов, включая средние и крупные минеральные частицы, первую половину диапазона малых блоков. Определяющую роль при этом играют энергетические процессы, скорость притока энергии и ее объемная величина. Если очаг нагружения находится в зоне опорного давления (0, 9-1,6 м), то разрывы связей между компонентами второй половины диапазона малых блоков приводят к разрушению приконтурной зоны массива в виде выброса или горного удара.

Из результатов многочисленных натурных исследований фотонной геоэмиссии следует, что максимумы нагружаемых участков могут быть также на расстояниях 3-5 м от контура выработки. Большие объемы нагружения связаны с блоками средних и крупных размеров.

Иерархический ряд размеров компонентов литосферы можно опре­делять теоретически с использованием формулы, экспериментально в натурных условиях.

Сначала по картам геологических разрезов шахтного поля изучают трещины и разрезы, пересекающие массивы горных пород. Затем исследуют их известное блочное строение. После этого выбирают горную выработку, пройденную через блоки с наибольшим разнообразием их размеров. Далее путем визуальных исследований и замеров определяют расстояния между трещинами, разрывами и размеры известных блоков. После чего изучают положение геоблоков относительно проходящей через них горной выработки. Результаты исследований систематизируют в виде таблиц и схем. Затем регистрируют фотонную эмиссию вдоль горной выработки на самой низкой частоте, например 10 ⁴ Гц ( м), находят участок выработки с наибольшей активностью излучения и определяют его длину измерениями вдоль выработки.

Длину активного участка уточняют измерениями в оптическом диапазоне частот З Ч10 ¹⁴- 4 Ч10 ¹⁶ Гц. Эксперименты несколько раз повторяют. Затем ведут регистрацию интенсивности фотонной геоэмиссии на других частотах, например 2 Ч10 ⁴ Гц, 3 Ч10 ⁴ Гц и 5 Ч10 ⁴ Гц.

Радиусы блоков определяют по формуле:

,

где r_бл. - расчетный радиус блока или компонента.

Экспериментальные и расчетные размеры наиболее компактных по геометрической форме блоков, центры которых примерно совпадают с осью горной выработки, приведены в табл.

Способ осуществляется с использованием измерителя фотонной эмиссии, изготовленного для регистрации электромагнитных волн в ра­диодиапазоне.

Измеритель содержит антенну, радиочастотный кабель передачи информации и регистратор. Электрические параметры антенны, радио­частотного кабеля и входной части регистратора согласованы для регистрации фотонов в диапазоне опорных частот 5 Ч10 ³ Гц, 1 Ч10 ⁴ Гц, 2 Ч10 ⁴ Гц, 3 Ч10 ⁴ Гц, 5 Ч10 ⁴ Гц, 1 Ч10 ⁵ Гц.

Регистрация информации на фиксированных частотах - это единст­венный способ избавления от многочисленных промышленных помех и получения более полезной информации при измерениях в радиочастот­ном диапазоне 5-120 кГц.

В табл. представлены значения прочностей компонентов лито­сферы, рассчитанные с использованием естественных потенциальных энергий связи и значений радиусов взаимодействий компонентов. В ко­лонке 4 значения прочностей компонентов приведены без учета коэф­фициента структурного ослабления, который эти величины уменьшает примерно на два порядка, колонка 5.

Из таблицы видно, что с увеличением размеров компонентов зна­чения их прочностей убывают. Для шахтной практики наибольший ин­терес представляют малые и средние блоки с размерами от 0,02 до 350м с реальной прочностью от 7 Ч10 ¹⁰ Па до 3,7 Ч10 ⁶ Па. Устойчивость мас­сивов вокруг горных выработок, таким образом, характеризуют проч­ности блоков, размеры сечений которых в 2-3 раза превосходят средние размеры сечений горных выработок.

Таблица

Физико-механические характеристики компонентов литосферы Земли