Способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках
Владельцы патента RU 2727317:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Заявленное изобретение предназначено для определения места возможного взрыва накопившегося под поверхностью горной выработки метана и также может быть использовано в геофизике для поиска и разведки углеводородов с оценкой глубины положения продуктивной залежи. Предложен способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках, заключающийся в дистанционной регистрации сейсмоэлектрического эффекта от накопившегося в районе выработки газового пузыря и в определении его координат. Для осуществления способа на поверхности шахтного поля Земли не менее чем в двух разнесенных точках с помощью располагаемых в них датчика электромагнитного поля и трехкоординатного сейсмоприемника ведут одновременный прием шумовых сигналов электрического и сейсмического полей по трем координатам. С помощью компьютера определяют их коэффициенты взаимной корреляции (КВК), по ним определяют модули КВК и углы их направлений в пространстве. По появлению максимального значения модуля КВК прогнозируют угрозу взрыва, при этом координаты ожидаемого взрыва определяют через углы направлений и точку пересечения модулей КВК, получаемых в двух разнесенных по поверхности Земли точках наблюдения. Технический результат - повышение достоверности прогноза горного удара или взрыва в шахтах и рудниках от накопившегося в районе выработки газового пузыря с определением его координат, а также повышение точности и оперативности прогноза вследствие совместного использования электрических и акустических шумов, что позволяет за счет их корреляции исключить влияние других промышленных помех. 1 ил.
Заявленное изобретение предназначено для определения места возможного взрыва накопившегося под поверхностью горной выработки метана, и также может быть использовано в геофизике для поиска и разведки углеводородов с оценкой глубины положения продуктивной залежи.
Известен способ прогноза взрывоопасности метановоздушных смесей в шахтах, который заключается в том, что на шахтных полях выделяют выемочные участки с различными геотехническими условиями разработки, метанообильность участков определяют по метаноносности угольных пластов и объемам выделяющегося свободного метана (патент РФ 2524860 С1, дата приоритета 27.06.2013, дата публикации 10.08.2014, автор Забурдяев B.C., RU).
Недостатком известного способа является неоднозначность связи показателей метаноносности с угрозой взрыва, поскольку газосодержание метана в воздухе выработки зависит от попутного содержания метана в добываемом угле.
Известен способ прогноза риска взрывов гибридных смесей в шахтах и рудниках, при котором измерения расхода воздуха и концентрации газов в нем производят в процессе снижения параметров проветривания выработки (патент РФ 2536544 С1, дата приоритета 18.07.2013, дата публикации от 27.12.2014, автор Забурдяев B.C., RU)
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет оценить опасное скопление метана за стенками выработок, то есть заранее определить ожидаемый взрыв.
Известен способ пассивной съемки Земли, включающий генерирование одного или нескольких обнаруживаемых сигналов путем пассивного обнаружения сигналов, генерируемых в пласте вследствие сейсмоэлектрического эффекта для определения, по меньшей мере, одного свойства подземного пласта Земли (патент США № US 8347658 (В2), дата приоритета 30.03.2011, дата публикации 08.01.2013, автор Thompson A., US).
Этот способ не определяет наличие газа в подземном пласте Земли, а дает усредненную характеристику сейсмоэлектрического эффекта, наблюдаемого над слоистым георазрезом.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ сейсморазведки углеводородов, основанный на одновременном наблюдении электрических и сейсмических шумов в диапазоне частот 1-20 Гц, позволяющий обнаружить скопление газа под поверхностью земли по обнаружению максимума их функции взаимной корреляции (патент РФ №2559046 С2, дата приоритета 14.02.2013, дата публикации 10.08.2015, авторы: Шайдуров Г.Я., Кудинов Д.С. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является то, что данный способ не позволяет оперативно оценить место взрыва, поскольку предполагает перемещение датчиков вдоль профиля наблюдений и не дает информацию по направлению прихода шумовых сигналов.
Технической проблемой, которую решает заявленное изобретение, является предсказание появления горного удара или взрыва, оценки его местоположения без перемещения датчиков сигналов с регистрацией шумов электрического и сейсмического полей, генерируемых газовой полостью и наблюдаемых по всему шахтному полю на поверхности земли.
Для решения технической проблемы предложен способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках, основанный на регистрации сейсмо-электрического эффекта в шумовых электрических и сейсмических полях Земли, заключающийся в дистанционной регистрации сейсмо-электрического эффекта от накопившегося в районе выработки газового пузыря и в определении его координат. Для осуществления способа на поверхности шахтного поля Земли, не менее чем в двух разнесенных точках, с помощью располагаемых в них датчика электромагнитного поля и трех-координатного сейсмоприемника ведут одновременный прием шумовых сигналов электрического и сейсмического полей по трем координатам, с помощью компьютера определяют коэффициенты взаимной корреляции (КВК) между сигналами, по ним определяют модули КВК и углы их направлений в пространстве, по появлению максимального значения модуля КВК прогнозируют угрозу взрыва, при этом координаты ожидаемого взрыва определяют через углы направлений и точку пересечения модулей КВК, получаемых в двух разнесенных по поверхности Земли пунктах наблюдения.
На чертеже показана схема реализации заявленного способа, на которой изображено:
1 - поверхность Земли;
2 - газовый пузырь;
3, 4 - сейсмоприемники;
5, 6 - датчики электрического поля;
7, 8 - измеряемые КВК.
Заявляемый способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках основан на регистрации на поверхности Земли сейсмо-электрического эффекта, появляющегося в скоплениях метана и заключающегося в генерации электрических зарядов при действии на газовый пузырь сейсмических возмущений внешнего и внутреннего происхождения. В последнем случае механические (сейсмические) силы в газовом пузыре возникают под давлением газа.
Способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках реализуется следующим образом. На поверхности Земли 1 над шахтным полем устанавливают две точки для приема шумовых сигналов электрического и акустического полей, с разносом, соответствующим ожидаемой глубине положения накопившегося газа (газового пузыря) 2; шумовые сигналы снимают одновременно с трех-координатных сейсмоприемников 3, 4 и датчиков электрического поля 5, 6; с помощью компьютера вычисляют коэффициенты взаимной корреляции (КВК) электрических и акустических шумов по трем координатам сейсмоприемников Rx, Ry, Rz; по ним определяют модули и углы их направлений в пространстве α, β; по пересечению направлений модулей 
и 
прогнозируют ожидаемое место взрыва.
Для примера, рассмотрим двумерную задачу определения местоположения газового пузыря по данным шумовых сигналов, снимаемых с двух сейсмоприемников. Согласно (И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев «Справочник по математике» М. Наука, 1980, с 237), при известных измеряемых углах прихода сейсмической волны α, β, γ и дистанции между сейсмоприемниками как стороны треугольника С, расстояния от точек наблюдения до места ожидаемого взрыва определяются с помощью соотношений:
Углы прихода сейсмической волны определяются через КВК между сигналами электрических Е и сейсмических S шумов
Где 
Здесь
Rx; Rz - коэффициенты взаимной корреляции (КВК) шумовых сигналов сейсмического S(t) и электрического поля E(t), соответственно по координатам Х и Z.
Появление шумов электрического поля обусловлено вибрацией газового пузыря за счет естественных сейсмических шумов Земли и работающих в шахте механизмов, а также электрических разрядов при прорыве накопившегося газа через трещины в горной породе.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в создании технических средств, обеспечивающих достоверный прогноз горного удара или взрыва в шахтах и рудниках от накопившегося в районе выработки газового пузыря, с определением его координат, а также в повышении точности и оперативности прогноза вследствие совместного использования электрических и акустических шумов, что позволяет за счет их корреляции исключить влияние других промышленных помех.
Кроме того, преимуществом заявленного способа и новизной технологии является возможность постоянного мониторинга угрозы появления горного удара без перемещения датчиков по поверхности поля.
Время взрыва приближенно определяется величиной превышения модуля КВК над средним его значением за период наблюдений. При этом непосредственно перед взрывом за 5 - 10 минут по данным экспериментальных наблюдений, обычно наступает затишье, то есть снижение всех шумовых сигналов как электрических, так и акустических, ниже среднего уровня.
Способ прогноза горного удара в шахтах и рудниках, заключающийся в дистанционной регистрации сейсмоэлектрического эффекта от накопившегося в районе выработки газового пузыря и в определении его координат, при котором на поверхности шахтного поля Земли не менее чем в двух разнесенных точках с помощью располагаемых в них датчика электромагнитного поля и трехкоординатного сейсмоприемника ведут одновременный прием шумовых сигналов электрического и сейсмического полей по трем координатам, с помощью компьютера определяют их коэффициенты взаимной корреляции (КВК), по ним определяют модули КВК и углы их направлений в пространстве, по появлению максимального значения модуля КВК прогнозируют угрозу взрыва, а координаты ожидаемого взрыва определяют через углы направлений и точку пересечения модулей КВК, получаемых в двух разнесенных по поверхности Земли пунктах наблюдения.
