СПОСОБ И СХЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И МИНИМИЗАЦИИ МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ В РАЙОНЕ ОЧИСТНОЙ ЛАВЫ
METHOD AND CIRCUIT FOR DETECTING AND MINIMIZING METHANE HAZARD IN AREA OF MINING FACE

Предметом изобретения является способ и схема для обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы шахты либо в районе нескольких очистных лав, где осуществляется добыча каменного угля в условиях метановой опасности и опасности горных ударов.
Известны решения, касающиеся способов, устройств и электронных схем для измерения содержания метана в шахтной атмосфере, а также системы мониторинга, в том числе предназначенные для предупреждения о возрастании концентрации метана в шахтной атмосфере выше порогов тревоги и для автоматического отключения электрических устройств в опасном районе после превышения критических величин, с целью минимизации опасности возникновения взрыва метана и пожара. Их сущностью является взятие пробы воздуха из опасного района, а затем измерение содержания метана, а также передача результата этого измерения в шахтную метанометрическую систему. Передача результата измерения может быть осуществлена посредством местного концентратора, который реализует функцию отключения электроэнергии в контролируемом районе и предотвращения таким образом искрообразования, способного вызвать взрыв метана.
Подобные решения, касающиеся проблемы метановой опасности, известны из публикации Василевски С. (2012): Системы контроля и мониторинга газовой опасности в польских угольных шахтах, Безопасность труда и защита среды в горнодобывающей промышленности, №12 [Wasilewski S. (2012): Systemy kontroli i monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach węgla kamiennego, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie nr 12], a также из патентных описаний US 5268683 (A), RU 2268365 (С1), PL 390972 (А1), CN 101441803 (A), UA 61611 (A), PL 386488 (А1), PL 151847 (В1).
Известна по патентному описанию СА 2263216 (А1) схема для непрерывного измерения и обнаружения метана в шахтной атмосфере в процессе отбойки угольного массива рабочим органом проходческого комбайна. Основными измерительными элементами схемы являются два метановых датчика, расположенных на противоположных сторонах поворотного редуктора рабочего органа комбайна на расстоянии 30 дюймов от органа. Дополнительно измерительная схема оборудована датчиком расхода воздуха, датчиком кислорода и датчиком окиси углерода, которые соединены проводами с микропроцессорным контроллером, предназначенным для отсчета, обнаружения, мониторинга и/или анализа информации об измеряемой шахтной атмосфере. Информация затем представляется на мониторе оператора комбайна или в диспетчерской на поверхности шахты. После превышения допускаемого содержания метана в шахтной атмосфере отключается питание комбайна и включается отдельная вентиляция со свежим воздухом, который снижает концентрацию метана в опасном районе. Когда содержание метана снижается ниже акцептуемого уровня, включается электропитание комбайна. Преимуществом изобретения является измерение метана непосредственно вблизи рабочего органа комбайна.
Известны также из публикации “Методы оценки состояния опасности горных ударов для горных выработок в угольных шахтах” (2010 г.), Сборник под редакцией Юзефа Кабеша, изд. Главного института горного дела, г. Катовице, с. 165-320 [„Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego" (2010 г.), Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza, wyd. Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach s. 165-320], а также из патентных описаний US 2014034388 (А1), US 2014123748 (А1), PL 152339 (В1), PL 202149 (В1) способы и геофизические схемы, предназначенные для измерения и оценки сейсмической опасности, в том числе состояния опасности горных ударов в угольных шахтах, сущностью которых является измерение сигналов, свидетельствующих о напряженно-деформационном состоянии горного массива, превышение которого может вызвать горный удар либо возможность его возникновения в выработке или в окружающем ее пространстве в результате возникших неблагоприятных горно-геологических условий.
Известны также более комплексные способы и измерительные устройства, учитывающие, с целью оценки метановой опасности, идентификацию и корреляцию большего количества физических явлений. В частности, известны из патентного описания PL 388788 (А1) способ и устройство для автоматического обнаружения выбросов метана и скальных пород, где используется корреляцию большего количества физических явлений. В данном изобретении осуществляется совместная идентификация роста концентрации метана, рост давления шахтной атмосферы, а также акустические явления. На основе корреляции изменений этих трех параметров констатируется факт возникновения выброса метана и породы, а информация об этом факте передается на центральный пульт на поверхности шахты. Являющееся предметом изобретения устройство состоит из измерительной камеры, микропроцессорной измерительной схемы, блока питания и дисплея, которые подключены к контрольно-передающей схеме, которая соединена линией телефонной связи с центральным пультом на поверхности шахты, причем измерительная камера оснащена датчиком концентрации метана, датчиком барометрического давления и микрофоном.
Известно также, из горной практики, наличие причинно-следственной корреляции геофизических явлений и выбросов метана в эксплуатируемых выработках, но пока эти процессы еще не полностью изучены и технически используемые с целью минимизации метановой опасности. В известных до настоящего времени решениях из технической литературы (Тренчек С., Войтас П., Научные труды Института горного дела Вроцлавского политехнического института, Исследования и материалы №32/2006 - с. 337 [Trenczek. S, Wojtas. P, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej Nr 117, Studia i Materiały Nr 32/2006 - str. 337]), реализованных в исследовательских проектах, сосредоточивались на обнаружении совместных опасностей, связанных с экстренным обнаружением метановыделения непосредственно после возникновения мощных горных толчков. Сущность этих известных решений заключается в соединении сейсмоакустических и сейсмических систем, применяемых в районе лав с метанометрической системой. Информация о возникновении мощного толчка вблизи конкретной лавы передается немедленно, с задержкой не превышающей 10 с, в метанометрическую систему, которая в районе этой лавы отключает электрические устройства.
Известные до настоящего времени способы и схемы, предназначенные для обнаружения и минимизации метановой опасности, учитывающие корреляцию физических явлений, в том числе способы и схемы, идентифицирующие имеющуюся в районах очистных лав корреляцию сейсмических явлений и выбросов метана, не обеспечивают надлежащей эффективности, особенно в аспекте точной локализации опасных зон, что необходимо для принятия быстрых и эффективных профилактических мер, минимизирующих эти опасности. По существующему состоянию техники учитывается причинно-следственная последовательность, связанная с выбросами метана сразу после возникновения сейсмических явлений, что вытекает из текущего замера содержания метана и течения воздуха, только после возникновения динамических сейсмических или сейсмоакустических явлений, регистрируемых шахтными сейсмическими системами, работающими с сейсмометрами и низкочастотными геофонами, а также сейсмоакустическими системами, работающими с высокочастотными геофонами.
В свою очередь, известные способы и схемы, предназначенные для непосредственного автономного измерения содержания метана в шахтной атмосфере, а также способ, опубликованный в заявочном описании изобретения PL 388788 (А1), учитывающий для оценки метановой опасности большее число коррелированных друг с другом физических явлений, как измерение содержания метана с давлением воздуха и акустическим сигналом, не обеспечивают достаточной эффективности, так как предназначены для отключения электроэнергии после возникновения мощных толчков, в том числе после возникновения горного удара. Известные до настоящего времени решения не позволяют прогнозировать метановыделение до возникновения горного удара, например, вследствие роста напряжений в горном массиве, предшествующего критическому событию.
Целью изобретения является способ и схема, увеличивающие эффективность обнаружения и минимизацию метановой опасности в районе очистной лавы шахты, разрабатывающей залежи в условиях метановой опасности, а также в условиях опасности горных ударов, путем учета всех коррелированных сейсмических явлений, оказывающих влияние на метановую опасность, то есть явлений, идентифицируемых как в динамических, так и в статических категориях, связанных с нарастанием напряженного состояния в горном массиве, что позволит прогнозировать возникновение этого явления в мониторируемом районе, с целью упреждающего применения соответствующей профилактики.
Способ обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы согласно изобретению заключается в том, что на опережении очистной лавы периодически производится, по методу пассивной сейсмической скоростной томографии с применением сейсмометров и низкочастотных геофонов, локализация участков, где возникает концентрация напряжений. Одновременно эти данные сравнивают с текущими сейсмоакустическими измерениями, определяющими места накопления щелчков, сопутствующих трещинообразованию горного массива впереди фронта очистной лавы, с измерениями содержания метана и течения воздуха в этой выработке. При этом места концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы локализуют путем выполнения активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания с учетом расположения очистного комбайна в выработке очистной лавы. Затем определяется корреляция указанных выше параметров пространственная и по времени, а после установления, что коэффициент корреляции превышает определенное критическое значение, реализуют профилактические процедуры, минимизирующие метановую опасность.
В свою очередь, места изменения концентрации напряжений определяются с помощью сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, реализуемой с использованием анализа сигналов, регистрируемых сейсмической регистрирующей системой из низкочастотных геофонов, расположенных в подготовительных штреках. Эти сигналы коррелируются непосредственно с местоположением очистного комбайна в очистной лаве путем измерения, в режиме реального времени, энергии колебаний, генерируемых его очистным органом в цикле выемки, определяемой низкочастотными геофонами в прилегающих к лаве выработках. Затем, после завершения каждого цикла выемки, сравнивают эти результаты с данными, зарегистрированными в предыдущем цикле и идентифицируют места с увеличенной концентрацией напряжений. При этом, чтобы обеспечить возможность калибровки изолиний изменения напряжений, сигналы от датчиков напряжений передаются в сейсмическую регистрирующую систему.
Кроме того, одновременно производится точечное измерение течения воздуха на входе и на выходе из выработки лавы вместе с мобильным измерением течения воздуха непосредственно в месте актуального расположения очистного комбайна. В процессе корреляции относительных изменений зарегистрированных зависимостей, особенно приростов параметров, связанных с измерением концентрации метана, напряжений, течения воздух, сейсмоакустической активности, анализируется амплитуда изменений коэффициента корреляции и скорость этих изменений.
Затем на основе результатов, полученных после проведения пассивной сейсмической скоростной томографии, на основе результатов сейсмоакустического наблюдения, а также на основе локализации мест концентрации напряжений при помощи активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, с учетом коррелированных с этими параметрами местных изменений концентрации метана, определяют места в выработке лавы, где реализуют процедуры, минимизирующие метановую опасность, лучше всего путем профилактического дренажного бурения. В свою очередь, после установления временной корреляции анализируемых параметров, в том числе особенно превышения критических пороговых относительных приростов напряжений и содержания метана, снижают пороги предупредительной сигнализации и/или автоматического отключения электрических устройств в районе контролируемой очистной лавы.
В схеме для измерения концентрации метана вдоль выработки лавы к аналитической схеме подключена сейсмическая регистрирующая система, метанометрическая система, исполнительная схема и панель предупредительных сигналов. При этом к сейсмической регистрирующей схеме с не менее чем четырьмя сейсмометрами, не менее чем четырьмя низкочастотными геофонами и не менее чем двумя датчиками напряжений подключена сейсмоакустическая регистрирующая схема с не менее чем четырьмя геофонами, а также схема контроля расположения и работы очистного комбайна с датчиком местоположения очистного комбайна. В свою очередь, к метанометрической системе подключены метанометры лавы, мобильный комбайновый метанометр, а также два установленных на входе и выходе выработки лавы стационарных датчика скорости воздуха и мобильный комбайновый датчик скорости воздуха. Соединения между аналитической схемой, сейсмической регистрирующей схемой, метанометрической схемой, исполнительной схемой, панелью предупредительных сигналов, а также между сейсмической регистрирующей схемой, сейсмоакустической регистрирующей схемой и схемой контроля расположения и работы очистного комбайна выполнены кабелем типа Ethernet.
Предмет изобретения, пример исполнения, представлен на чертежах, где на Fig. 1 показана блок-схема измерительной схемы; на Fig. 2 показан график имеющихся напряжений в зоне непосредственно перед фронтом очистной лавы в течение последнего цикла выемки; на Fig. 3 показан график измерения концентрации метана в выработке лавы во время цикла выемки; на Fig. 4 показан график изменений функции корреляции анализируемых параметров по времени.
Пример I
Способ обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы согласно изобретению заключается в том, что на опережении очистной лавы периодически производится, по методу пассивной сейсмической скоростной томографии с применением четырех сейсмометров 8 и четырех низкочастотных геофонов 9, локализация участков N, где возникает концентрация напряжений. Одновременно эти данные сравнивают с текущими сейсмоакустическими измерениями, определяющими места накопления щелчков М, сопутствующих трещинообразованию горного массива впереди фронта очистной лавы В, с измерениями содержания метана и течения воздуха в этой выработке. При этом места концентрации напряжений N впереди фронта очистной лавы локализуют дополнительно путем выполнения активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, с учетом расположения очистного комбайна 13 в выработке очистной лавы В, а затем производится сравнение значений указанных выше величин. После установления их причинно-следственной корреляции, пространственной и по времени, а также после установления, что коэффициент корреляции превышает определенное критическое значение, реализуют профилактические процедуры, минимизирующие метановую опасность путем выполнения дренажного бурения в идентифицированных участках очистной лавы и/или дополнительного проветривания. В способе, являющемся предметом изобретения, аналитическая схема 5 осуществляет корреляцию информации, получаемой из сейсмической регистрирующей системы 1 и из сейсмоакустической регистрирующей системы 2, а также из метанометрической схемы 3, выявляя потенциальные опасные состояния, которые сигнализирует в виде сигналов на панели предупредительных сигналов 7. Предупредительные сигналы генерируются в случае обнаружения временно-пространственного совпадения возникновения роста концентрации напряжений, содержания метана и активности явлений в виде концентрации локализованных сейсмических и сейсмоакустических явлений, сопутствующих трещинообразованию в горном массиве. После обнаружения превышения пороговых относительных приростов напряжений и содержания метана снижают пороги предупредительной сигнализации и/или автоматического отключения электрических устройств в районе контролируемой очистной лавы. В текущем порядке осуществляется мониторинг относительных изменений зарегистрированных приростов параметров, связанных с измерением содержания метана, концентрации напряжений N, течения воздуха и сейсмоакустической активности. Изменения анализируют в пространственно-временной корреляции, с учетом амплитуды изменений коэффициента корреляции ΔK и скорости этих изменений ΔK/Δt.
В случае обнаружения временного увеличения коэффициента корреляции анализируемых параметров и скорости его роста с превышением установленных критических значений информация из аналитической схемы 5 передается в метанометрическую систему 3 с целью немедленного автоматического отключения электрических устройств в районе мониторируемой очистной лавы, согласно ранее конфигурированной управляющей матрице отключений исполнительной схемы 6. При этом места концентрации напряжений N определяются с помощью активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания путем анализа сигналов регистрируемых сейсмической регистрирующей системой 1 от низкочастотных геофонов 9, на основе коррелирования их непосредственно с расположением очистного комбайна 13 в очистной лаве и посредством измерения в режиме реального времени энергии колебаний, генерируемых рабочим органом очистного комбайна 13 в каждом цикле выемки X, определяемой низкочастотными геофонами 9 в прилегающих к лаве штреках А.
i
i-1
После завершения каждого цикла выемки X сравнивают эти результаты с данными, зарегистрированными в предыдущем цикле выемки X, и идентифицируют места с повышенной концентрацией напряжений, причем для того, чтобы обеспечить возможность калибровки изолинии изменений напряжений, в прилегающих к лаве штреках А устанавливают датчики напряжений 10, сигнал из которых передается в сейсмическую регистрирующую систему 1. Метанометрическая система 3 оборудована лавными метанометрами 14, расположенными вдоль очистной лавы, мобильным комбайновым метанометром 15, стационарными датчиками скорости воздуха 16 и мобильным комбайновым датчиком скорости воздуха 17, который производит измерение скорости воздуха вдоль выработки очистной лавы В в месте актуального расположения комбайна 13 в этой выработке. Сейсмическая регистрирующая система 1, оборудованная сейсмометрами 8 и низкочастотными геофонами 9, а также сейсмоакустическая регистрирующая система 2, оборудованная геофонами 11, локализуют сейсмические явления в пределах всей шахты и очень точно впереди фронта контролируемой очистной лавы. В свою очередь, на основе результатов, полученных из пассивной сейсмической скоростной томографии, из сейсмоакустических данных, а также на основе выявленных, с помощью активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, мест концентрации напряжений N, с учетом коррелированных с этими параметрами местных изменений концентрации метана, определяют места в угольном массиве С мониторируемой очистной лавы, в которых реализуют процедуры, минимизирующие метановую опасность, лучше всего путем профилактического дренажного бурения.
Пример II
Схема, являющаяся предметом изобретения, содержит взаимодействующие и коррелированные друг с другом по времени: сейсмическую регистрирующую систему 1, сейсмоакустическую регистрирующую систему 2, метанометрическую систему 3, а также схему контроля расположения и работы очистного комбайна 4 в очистной лаве. В схеме, являющейся предметом изобретения (Fig. 1), к аналитической схеме 5 подключена сейсмическая регистрирующая система 1, метанометрическая система 3, исполнительная схема 6, а также панель предупредительных сигналов 7. При этом соединения приведенных выше систем и схем на поверхности шахты D выполнены кабелем типа Ethernet. Расположенная на поверхности шахты D сейсмическая регистрирующая система 1, к которой подключены четыре сейсмометра 8, четыре низкочастотных геофона 9 и два датчика напряжений 10, соединена с сейсмоакустической регистрирующей системой 2 и схемой контроля расположения и работы очистного комбайна 4. В свою очередь к сейсмоакустической регистрирующей системе 2 подключены четыре геофона 11. К схеме контроля расположения и работы очистного комбайна подключен датчик местоположения очистного комбайна 12, расположенный на очистном комбайне 13. К метанометрической системе 3 подключены лавные метанометры 14, которые расположены вдоль выработки очистной лавы, лучше всего через каждые 15 м, мобильный комбайновый метанометр 15, установленный на очистном комбайне 13 вблизи рабочего органа, а также два расположенных на входе и выходе выработки очистной лавы В стационарных датчика скорости воздуха 16 и мобильный комбайновый датчик скорости воздуха 17, установленный на очистном комбайне 13. К исполнительной схеме 6, входящей в состав метанометрической системы 3, подключены исполнительные элементы 18, отключающие отдельные устройства с электрическим приводом, установленные в подземной части шахты Е в районе мониторируемой очистной лавы.
Список обозначений:
1 - сейсмическая регистрирующая система,
2 - сейсмоакустическая регистрирующая система,
3 - метанометрическая система,
4 - схема контроля расположения и работы очистного комбайна,
5 - микропроцессорная аналитическая схема,
6 - исполнительная схема,
7 - панель предупредительных сигналов,
8 - сейсмометр,
9 - низкочастотный геофон,
10 - датчик напряжений,
11 - геофон,
12 - датчик местоположения очистного комбайна,
13 - очистной комбайн,
14 - лавный метанометр,
15 - мобильный комбайновый метанометр,
16 - стационарный датчик скорости воздуха,
17 - мобильный комбайновый датчик скорости воздуха,
18 - исполнительный отключающий элемент,
А - штреки прилегающие к лаве,
В - выработка очистной лавы,
С - угольный массив,
D - поверхностная часть шахты,
Е - подземная часть шахты,
N - места концентрации напряжений (в угольном массиве, определяемые с применением пассивной сейсмической скоростной и/или амплитудной томографии, а также сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания),
М - места частых щелчков (в угольном массиве, сопутствующих трещинообразованию горного массива, определяемые сейсмоакустической системой),
X - цикл выемки,
i
X - i-й цикл выемки.