Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород
В статье приведены результаты исследований процесса поступления обогащенной радоном воздушной (или метановоздушной) смеси из массива пород в атмосферу горных выработок. Показано, что параметры изменений активности α-излучений отдельных изотопов радона, концентраций метана и их соотношений могут быть...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138633 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 3-16. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-138633 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1386332018-06-20T03:08:18Z Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. В статье приведены результаты исследований процесса поступления обогащенной радоном воздушной (или метановоздушной) смеси из массива пород в атмосферу горных выработок. Показано, что параметры изменений активности α-излучений отдельных изотопов радона, концентраций метана и их соотношений могут быть использованы для прогнозирования геомеханических и газодинамических процессов в породном массиве путем дифференциации во времени изменений напряженно-деформированного состояния пород и порово-трещинного пространства вокруг выработок в процессе ведения горных работ. Это связано с закономерностями распада изотопов радона, эмиссии дочерних продуктов распада радона и газопереноса метана во времени от источников их образования в горные выработки, так как, во-первых, изменения концентрации изотопа Po218 с учетом времени его распада зависят от изменения трещиноватости ближней к контуру выработки части горных пород. Вовторых, изменения отклонений от среднего уровня концентрации дочерних продуктов распада радона характеризуют процессы трансформации объемов порово-трещинного пространства в процессе ведения горных работ. Это позволяет, при известных параметрах проницаемости пород и фильтрации изотопов радона, прогнозировать изменения геомеханического состояния не только приконтурных, но и удаленных от выработки зон породного массива. У статті наведено результати досліджень процесу надходження збагачених радоном повітряної (або метаноповітряної) суміші з масиву порід в атмосферу гірничих виробок. Показано, що параметри, які характеризують зміни активності α-випромінювань окремих ізотопів радону, концентрацій метану і їх співвідношень можуть бути використані для прогнозування геомеханічних і газодинамічних процесів в породному масиві шляхом диференціації в часі змін напружено-деформованого стану порід і порово-тріщинного простору навколо виробок в процесі ведення гірничих робіт. Це пов'язано з закономірностями розпаду ізотопів радону, емісії дочірніх продуктів розпаду радону і газопереносу метану в часі від джерел їх утворення в гірничі виробки, так як, по-перше, зміни концентрації ізотопу Po218 з урахуванням часу його розпаду залежать від зміни тріщиноватості ближньої до контуру виробки частини гірських порід. По-друге, зміни відхилень від середнього рівня концентрації дочірніх продуктів розпаду радону характеризують процеси трансформації обсягів поровотріщинного простору в процесі ведення гірських робіт. Це дозволяє, при відомих параметрах проникності порід і фільтрації ізотопів радону, прогнозувати зміни геомеханічного стану не тільки приконтурних, але й віддалених від гірничої виробки зон породного масиву. The article presents results of investigations of radon-enriched air (or methane-air) mixture escaping from the solid rocks into the mine working atmosphere. It is shown that parameters of changes of alpha-radiation intensity in some radon isotopes, methane concentrations and their proportion can be used for predicting geomechanical and dynamic processes in the rock massif by differentiated-in-time changes of stress-strain state of the rocks and porous-fractured space around the mine workings in the process of mining operations. Such changes of alpharadiation intensity are explained by natural decay of radon isotopes, emissions of radon-decay daughter products and methane transported over time from sources of their formation into the mine workings because, firstly, changes of the Po218 isotope concentrations with taking into account its decay time depend on change of the rock fracturing in the marginal area of the mine working. And, secondly, changes of deviations from the average concentration of radon decay daughter products depend on transformations of porous-fractured space volume occurred in the process of mining operations. Under certain parameters of diffusion and filtration, it makes possible to predict changes of geomechanical conditions not only in the marginal areas but also in remote rocks far from the mine workings. 2017 Article Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 3-16. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138633 622.831.312 : 622.817 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В статье приведены результаты исследований процесса поступления обогащенной радоном воздушной (или метановоздушной) смеси из массива пород в атмосферу горных выработок. Показано, что параметры изменений активности α-излучений отдельных изотопов радона, концентраций метана и их соотношений могут быть использованы для прогнозирования геомеханических и газодинамических процессов в породном массиве путем дифференциации во времени изменений напряженно-деформированного состояния пород и порово-трещинного пространства вокруг выработок в процессе ведения горных работ. Это связано с закономерностями распада изотопов радона, эмиссии дочерних продуктов распада радона и газопереноса метана во времени от источников их образования в горные выработки, так как, во-первых, изменения концентрации изотопа Po218 с учетом времени его распада зависят от изменения трещиноватости ближней к контуру выработки части горных пород. Вовторых, изменения отклонений от среднего уровня концентрации дочерних продуктов распада радона характеризуют процессы трансформации объемов порово-трещинного пространства в процессе ведения горных работ. Это позволяет, при известных параметрах проницаемости пород и фильтрации изотопов радона, прогнозировать изменения геомеханического состояния не только приконтурных, но и удаленных от выработки зон породного массива. |
| format |
Article |
| author |
Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. |
| spellingShingle |
Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. |
| author_sort |
Булат, А.Ф. |
| title |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| title_short |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| title_full |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| title_fullStr |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| title_full_unstemmed |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| title_sort |
использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138633 |
| citation_txt |
Использование продуктов распада радона как информативных параметров для оценки геомеханического состояния горных пород / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 3-16. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT bulataf ispolʹzovanieproduktovraspadaradonakakinformativnyhparametrovdlâocenkigeomehaničeskogosostoâniâgornyhporod AT slaŝevin ispolʹzovanieproduktovraspadaradonakakinformativnyhparametrovdlâocenkigeomehaničeskogosostoâniâgornyhporod |
| first_indexed |
2025-07-10T06:14:54Z |
| last_indexed |
2025-07-10T06:14:54Z |
| _version_ |
1837239478055337984 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
3
УДК 622.831.312 : 622.817
Булат А.Ф., Акад. НАНУ, д-р техн. наук, профессор,
Слащев И.Н., канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
(ИГТМ НАН Украины)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ РАСПАДА РАДОНА
КАК ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Булат А.Ф., Акад. НАНУ, д-р техн. наук, професор,
Слащов І.М., канд. техн. наук, ст. наук. співр.
(ІГТМ НАН України)
ВИКОРИСТАННЯ ПРОДУКТІВ РАСПАДА РАДОНУ
ЯК ІНФОРМАТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ ДЛЯ ОЦІНКИ
ГЕОМЕХАНІЧНОГО СТАНУ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Bulat A.F., Acad. NASU, D. Sc. (Tech.), Professor,
Slashchev I.N., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher
(IGTM NAS of Ukraine)
THE USE OF RADON DECAY PRODUCTS
AS INFORMATIVE PARAMETERS FOR EVALUATION
OF THE ROCKS GEOMECHANICAL CONDITION
Аннотация. В статье приведены результаты исследований процесса поступления обога-
щенной радоном воздушной (или метановоздушной) смеси из массива пород в атмосферу
горных выработок. Показано, что параметры изменений активности α-излучений отдельных
изотопов радона, концентраций метана и их соотношений могут быть использованы для про-
гнозирования геомеханических и газодинамических процессов в породном массиве путем
дифференциации во времени изменений напряженно-деформированного состояния пород и
порово-трещинного пространства вокруг выработок в процессе ведения горных работ. Это
связано с закономерностями распада изотопов радона, эмиссии дочерних продуктов распада
радона и газопереноса метана во времени от источников их образования в горные выработки,
так как, во-первых, изменения концентрации изотопа Po
218
с учетом времени его распада за-
висят от изменения трещиноватости ближней к контуру выработки части горных пород. Во-
вторых, изменения отклонений от среднего уровня концентрации дочерних продуктов распа-
да радона характеризуют процессы трансформации объемов порово-трещинного пространст-
ва в процессе ведения горных работ. Это позволяет, при известных параметрах проницаемо-
сти пород и фильтрации изотопов радона, прогнозировать изменения геомеханического со-
стояния не только приконтурных, но и удаленных от выработки зон породного массива.
Ключевые слова: продукты распада радона, геомеханические процессы, проницаемость,
фильтрация, моделирование массива пород, прогнозирование геомеханического состояния
В ранее выполненных работах [1-3] достаточно аргументированно был по-
казан механизм образования аномальных зон радона в воздухе на поверхности
земли, в помещениях, в подземных водах. В работах [4, 5] обоснованы теорети-
ческие предпосылки и проведена аналитико-экспериментальная оценка [5]
________________________________________________________________________________
А.Ф. Булат, И.Н. Слащев, 2017
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
4
условий фильтрации в породном массиве газа метана совместно с продуктами
распада радона и изменение их физических параметров в горных выработках
шахт. Показано, что в атмосфере горных выработок объемная активность α-
излучения (эманация) дочерних продуктов распада (ДПР) радона определяется
проницаемостью всей нарушенной горными работами зоны породного массива,
которая имеет максимальные значения в зонах неупругих деформаций и текто-
нических нарушений, на выходах магистральных трещин и в выработанных
пространствах очистных забоев.
Вместе с тем, процессы и закономерности поступления обогащенных радо-
ном воздушной (или метановоздушной) смеси из приконтурной и более уда-
ленных от обнажения зон породного массива в атмосферу горных выработок с
учетом трансформации порово-трещинного пространства под воздействием
горных работ изучены недостаточно и требуют дальнейших исследований.
В связи с тем, что радон представляет собой неустойчивый газ с очень хо-
рошей проникающей способностью, его повышенное (или пониженное) содер-
жание в выработках определяется совокупностью изменений двух основных
групп факторов: активностью источника образования радона (и, соответствен-
но, продуктов его распада) и напряженно-деформированным состоянием пород
на пути переноса радиоактивных газов от источника к обнажению горной вы-
работки. Поскольку месторождения полезных ископаемых формировались мно-
гие тысячи лет в условиях постоянного радиоактивного распада изотопов ура-
на, то активность источников исходного радиационного поля в пределах шахт-
ного поля достаточно постоянна. Поэтому в нетронутом породном массиве ра-
дон, как результат деления урана, заполняет свободное поровое пространство
относительно равномерно (за исключением зон геологических нарушений). В
то же время изменения параметров напряженно-деформированного состояния
пород оказывают существенно большее влияние на миграцию газов в массиве и
их поступление в горные выработки. Это связано с тем, что в результате непре-
рывных изменений физических свойств горных пород в зонах неупругих де-
формаций и возрастанию техногенных нагрузок на породный массив в процессе
ведения горных работ происходит прорастание и заполнение газами вновь об-
разовавшихся трещин. При этом особенностью эманационных газопотоков яв-
ляется их распределение не только по крупным геологическим нарушениям и
тектоническим зонам, но и по малоамплитудным зонам и мелким трещинам с
частично нарушенными межатомными связями.
Так как горные породы представляют собой многокомпонентные системы,
включающие твердую, жидкую и газообразную фазы, то движение газов в по-
ристой и трещиноватой среде имеет ряд особенностей. Такая среда состоит из
большого числа случайно расположенных зерен различной формы и величины.
Поэтому пространство, в котором движется газ, представляет собой систему
пор и трещин, непрерывно переходящих одна в другую. Нерегулярный харак-
тер структуры порового пространства не позволяет изучать движение газов в
нем прямым применением обычных методов гидродинамики, т. е. путем реше-
ния уравнений движения вязкой жидкости для области, представляющей собой
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
5
совокупность всех пор и трещин. Вместе с тем, в таком решении и нет необхо-
димости, так как с увеличением числа отдельных микродвижений, составляю-
щих макроскопическое фильтрационное течение, начинают проявляться сум-
марные статистические закономерности, характерные для движения газов в це-
лом и несправедливые для одного порового (или порово-трещинного) канала
или нескольких каналов. Возникающая ситуация характерна для систем с
большим числом элементов, которые слабо связаны между собой. Такие систе-
мы могут быть описаны как некоторые сплошные среды, свойства которых не
выражаются непосредственно через свойства составляющих элементов, а явля-
ются осредненными характеристиками больших объемов среды.
Адвекция радона (его перемещение с сохранением свойств) происходит под
действием градиентов давления в земной коре, газоподьемной силы при запол-
нении пор водой, турбулентных эффектов за счет процессов теплообмена, газо-
переноса, влагооборота и др. Математическое описание разных процессов и
механизмов переноса изотопов радона, кроме молекулярной диффузии, явля-
ются труднопрогнозируемыми и к настоящему времени недостаточно изучены.
Тем не менее, для определения скорости адвекции предложено несколько спо-
собов. Например, у нас и за рубежом наиболее распространен подход, в кото-
ром скорость адвекции рассматривают как скорость фильтрационного переноса
радона [5-8], который описывается законом Дарси. Закон Дарси в дифференци-
альной форме для одномерного фильтрационного потока (в данном случае по
оси абсцисс) и при пренебрежении силами тяжести определяет скорость фильт-
рации
12
12
xx
ppK
dl
dpK
, (1)
где K – коэффициент проницаемости пористой среды, м
2
; μ – динамическая вяз-
кость фильтрующейся жидкости или газа, Па∙с; х2-х1=dl – расстояние между се-
чениями вдоль оси абсцисс, м; р1, р2 – давление в сечениях начала и конца ин-
тервала, соответственно, отстоящих на расстоянии dl друг от друга, Па.
Для двух- и трехмерных фильтрационных потоков используют методы су-
перпозиции осевых скоростей фильтрации.
Если при больших расходах вследствие возникновения турбулентности и
дополнительными потерями давления закон Дарси нарушается, то объемный
расход Q, отнесенный к среднему давлению в фильтрационном потоке
(p1 + p2)/2 определяется из выражения
1
2
1
2
2
2 p
pp
l
FK
Q
, (2)
где Q – расход, м
3
/с; F – площадь поперечного сечения потока, м
2
; l – длина пу-
ти фильтрации, м.
Если рассчитывается расход в области разгрузки радиусом r, с радиусом
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
6
кругового контура дренирования R и толщиной проницаемого слоя h, то расход
газов по формуле Ж. Дюпюи (интегральная форма закона Дарси для случая
плоскорадиального установившегося потока) определяется из выражения
r
R
p
pphK
Q
a ln
2
1
2
2
, (3)
где р1, р2 – забойное давление на прямолинейной галерее стока и на контуре пи-
тания интервала, соответственно, Па; рa – атмосферное давление, Па.
При равных условиях объемного сжатия проницаемость горных пород и
диффузионная способность фильтрующихся через них воздуха, метана и радона
будут ключевыми информативными параметрами, по которым можно опреде-
лять степень трещиноватости породного массива в зонах неупругих деформа-
ций. Высокая проникающая способность инертного радиоактивного газа радона
объясняет его свойство селективно проникать (фильтроваться) через очень
мелкие поры и микротрещины горных пород. Газ метан (СН4) имеет диффузи-
онную способность в 1,6 раз больше, чем у воздуха, вследствие чего он может
вместе с радоном проникать через пористые и трещиноватые горные породы.
Различие проницаемостей для метана (KCH4 ) и инертного газа (гелия (KHe), как
наиболее близкого по диффузионной способности и миграционным свойствам к
радону) иллюстрируют построение и анализ сравнительных зависимостей по
результатам лабораторных исследований ИГТМ НАНУ образцов угля шахт
«Суходольская № 1» и «Ясиновская-Глубокая» (рис. 1). Замеры осуществля-
лись через различные промежутки времени, начиная с момента, когда в образце
устанавливалась постоянная скорость фильтрации и по истечении 22 часов, в
течение которых была приложена внешняя загрузка, поддерживаемая на преж-
нем уровне.
а) б)
1 – проницаемость для метана; 2 – проницаемость для инертного газа
Рисунок 1 – Проницаемость образца угля для инертного газа и метана под воздействием сил
объемного сжатия σсж (МПа) при различных градиентах газового давления:
а – Δp=0,5 МПа (KHe=422 σсж
-1,4
; R²=0,97; KCH4=160 σсж
-1,4
; R²=0,97);
б – Δp=0,2 МПа (KHe=837 σсж
-1,6
; R²=0,99; KCH4=259 σсж
-1,4
; R²=0,97).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
7
Изменение усилий гидрообжима на образцах в пределах от σсж =1 МПа до
σсж=6 МПа при градиенте давления Δp=0,5 МПа (Δp = p2 – p1) приводит к сни-
жению проницаемости по метану на 50 мД, по инертному газу на 120 мД
(рис. 1, а), а при градиенте давления 0,2 МПа – на 80 мД и 90 мД, соответст-
венно (рис. 1, б). При значениях объемных напряжений в диапазоне 2…6 МПа
проницаемость среды по метану и инертному газу снижается на 15-35 %, а по
абсолютным значениям инертный газ имеет в 2,0-2,7 раз большую диффузион-
ную способность, чем метан (n=KHe /KCH4, среднее взвешенное значение коэф-
фициента n = 2,4, рис. 2). Как показано на графиках, отклонения этого показа-
теля в зависимости от сжимающих напряжений не превышает 22-28 %.
Анализ сравнительных зависимо-
стей показал, что в зонах упругого
деформирования горных пород во-
круг выработок в условиях роста
опорных давлений происходит
сжатие пор и микротрещин, про-
ницаемость пород для всех газов
снижается. Вместе с тем, благодаря
высокой диффузионной способно-
сти инертных радиоактивных аэро-
золей появляется возможность
проводить фиксацию даже незна-
чительных изменений напряжений
и деформаций. Количественные
показатели отличия проницаемо-
стей инертных газов и метана дают
возможность использовать новые
интегральные критерии для кон-
троля состояний горных пород.
Рисунок 2 – Различия проницаемости инертного
газа и метана под воздействием сил
объемного сжатия
Полученные данные используются для формализации граничных условий в
методологии оценки совместного протекания геомеханических и газодинами-
ческих процессов в породном массиве, а также решения задач фильтрации газа
метана, радона и продуктов его распада в горные выработки.
В атмосферу горных выработок образующиеся в процессе распада и эмана-
ции ДПР радона попадают путем диффузии через поры и микротрещины гор-
ных пород, где они захватываются струями воздуха (и газа метана, в случае его
наличия) и перемещаются к обнажениям на значительные расстояния. Относи-
тельное постоянство природных источников поступления ДПР радона и их из-
менчивость под воздействием сил горного давления создает предпосылки для
идентификации изменений параметров происходящих в породном массиве гео-
механических и газодинамических процессов непосредственно из горных вы-
работок. Несмотря на то, что атмосфера горных выработок представляет собой
постоянно изменяющуюся сложную неравновесную смесь газов и пыли, нали-
чие радиометрических маркеров характеризует именно состояние горных пород
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
8
независимо от изменений параметров шахтной атмосферы, вызванных работой
систем вентиляции. Так как процессы разрушения горных пород и фильтрации
газов взаимосвязаны, то для практических расчетов необходимо иметь пред-
ставления о деформациях порово-трещинного пространства и ориентации газо-
проводящих трещин вокруг горных выработок.
Для оценки объемов порово-трещинного пространства можно использовать
закономерности изменения деформаций пород вокруг горных выработок. В
большинстве случаев объемные деформации сжатия, растяжения, изгиба и др.
представляют собой комбинацию простейших видов деформаций – линейную и
сдвиговую. Линейные деформации оценивают показателем относительной ли-
нейной деформации, равным отношению приращения линейного размера эле-
ментарного макрообъема к исходному, а деформации сдвига определяют по ве-
личине угла сдвига его грани. Для определения объемных деформаций исполь-
зуют принцип суперпозиции. В предложенной математической модели [5, 9,
10], реализуемой на базе метода конечных элементов, общая деформация эле-
мента модели (тензор деформации) описывается суммой векторов узловых пе-
ремещений и подразделяется на шаровую и девиаторную части. Девиаторная
часть тензора деформаций характеризует изменение формы элементов пород-
ного массива в процессе разрушения. Шаровая часть тензора деформаций опре-
деляется величиной минимальных главных нормальных деформаций элементов
модели, которые будут характеризовать изменения объема порово-трещинного
пространства, а, следовательно, и его проницаемость. Принимается допущение,
что деформация пористой среды равна изменению объема порово-трещинного
пространства, поскольку сжимаемость частиц скелета ничтожно мала по отно-
шению к общей сжимаемости породы.
Расчет главных деформаций выполняется по формулам [11] механики гор-
ных пород:
– для зон упругого деформирования
22
1 45,0 хуухух ,
22
3
45,0 хуухух , (4)
где ε
x
, ε
y
– нормальные компоненты тензора деформаций по координатным
осям x и y, определяемые в результате решения матрицы жесткости системы;
γ
xy
– деформации поперечного сдвига;
– для зон неупругого деформирования предельные максимальные главные
деформации, выраженные через фактический предел прочности породы и ее ре-
альные физико-механические свойства
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
9
ctgctgE
i
sin1
sin1
1
1 2lim
1lim
1 , (5)
где ζ
lim
– предельные максимальные главные напряжения, МПа; E – модуль уп-
ругости, МПа; ν – коэффициент Пуассона; θ – угол внутреннего трения, град.
Имея результаты решения уравнений (4, 5) получаем векторы, содержащие
значения минимальной и максимальной компонент упругих и неупругих де-
формаций. В уравнении (5) минимальная главная предельная деформация ε3
lim
представлена как функция максимальной главной деформации через заданный
параметр ctgξ (ε1 ctgξ=ε3), определяющий закон пластического течения (при
ξ=π/4 – течение равнообъемное). Значения рассчитанных главных деформаций
в результате вычислений равны фактическим главным деформациям, которые
соответствуют заданной деформационной модели среды.
Данные, определяющие трансформацию объемов порово-трещинного про-
странства в процессе отработки смежных выемочных столбов, исследованы для
двух условий: для однородной кровли (по усредненным показателям физико-
механических свойств пород, рис. 3, а) и для слоистой кровли (свойства горных
пород соответствовали условиям отработки пласта m3 , рис. 3, б). Расчеты про-
ведены вычислительным комплексом «GEO-RS» (разработка и программная
реализация функций системы выполнена на базе исследований ИГТМ
НАНУ [8, 10, 12, 13]). Выделены три основные зоны, влияющие на газоперенос:
зона беспорядочного обрушения за лавой, где движение газовых потоков неог-
раниченно во всех направлениях (зона высокой проницаемости); зона неупру-
гого деформирования при неравнокомпонентном сжатии, где газоперенос про-
исходит по магистральным трещинам; зону повышенного горного давления пе-
ред лавой (низкой проницаемости), где поры сжаты, вследствие чего газопро-
ницаемость пород существенно снижена. Особенностью движения метана и ра-
дона в указанных зонах является весьма сложная неравномерность скоростного
поля. Переформирование скоростного поля обусловливает большие потери
энергии потока при его движении поперек слоистости пород или через зоны
концентрации напряжений (меньшее количество магистральных трещин), чем
объясняется пониженный коэффициент фильтрации газов в выработку напря-
мую из основной кровли.
Важным фактором для оценки поступления радона и метана в горные выра-
ботки является определение ориентации в геопространстве газопроводящих
трещин вокруг горных выработок.
При ведении горных работ образуются дополнительные системы трещин,
параметры которых зависят от изменения поля напряжений и деформаций. В
условиях неравнокомпонентного сжатия для определения ориентации трещин
скалывания необходимо построение площадок сдвига (вдоль которых направ-
лены максимальные сдвигающие силы) для каждого элемента расчетной схемы.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
10
а)
б
)
Р
и
су
н
о
к
3
–
Т
р
ан
сф
о
р
м
ац
и
я
п
о
р
о
в
о
-т
р
ещ
и
н
н
о
го
п
р
о
ст
р
ан
ст
в
а
н
а
гр
ан
и
ц
е
см
еж
н
ы
х
л
ав
,
о
п
р
ед
ел
ен
н
ая
п
о
и
зм
ен
ен
и
ям
м
и
н
и
м
ал
ь
н
ы
х
г
л
ав
н
ы
х
д
еф
о
р
м
ац
и
й
ε
3
с
л
о
ев
к
р
о
в
л
и
и
п
о
ч
в
ы
в
п
р
о
ц
ес
се
о
тр
аб
о
тк
и
в
ы
ем
о
ч
н
о
го
с
то
л
б
а:
а
–
о
д
н
о
р
о
д
н
ая
к
р
о
в
л
я
(
п
о
у
ср
ед
н
ен
н
ы
м
п
о
к
аз
ат
ел
я
м
ф
и
зи
к
о
-м
ех
ан
и
ч
ес
к
и
х
с
в
о
й
ст
в
п
о
р
о
д
);
б
–
с
л
о
и
ст
ая
к
р
о
в
л
я
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
11
Предложена методология, которая, в отличие от известных решений, позво-
ляет определять линии скольжения в условиях деформационной упругопласти-
ческой модели среды с разупрочнением и учетом остаточной прочности, а так-
же проводить интерактивный анализ всей исследуемой области по главенст-
вующим структурным дефектам в реальном массиве пород. Ориентация векто-
ров максимальных главных деформаций для всей исследуемой области опреде-
ляется в результате вычисления параметров напряженно-деформированного со-
стояния породного массива методом конечных элементов и исполнения проце-
дуры метода начальных напряжений по значениям главных деформаций и де-
формаций поперечного сдвига. В связи с тем, что механизм пластической де-
формации связан со сдвигами по площадкам скольжения, то в зоне неупругих
деформаций реализация условия предельного состояния происходит на двух
площадках, наклоненных под углами β1 и β2 к вектору максимального главного
сжимающего напряжения. Значения углов наклона проекций площадок сколь-
жения на плоскость расчетной схемы для каждого элемента определяется вы-
ражением
24, 21 xy . (6)
где αε
xy
– углы наклона векторов максимальных главных деформаций, которые
показывают, насколько бывшее поперечным до деформации сечение отклоня-
ется от поперечного сечения деформированного элемента
yxyxy arctg 125,0 . (7)
Рассмотрим динамику развития геомеханических и газодинамических про-
цессов при отработке очистного забоя (рис. 4). На границе сопряжения нетро-
нутого массива с подработанными породами кровли лавы образуется зона наи-
большего прогиба пород кровли. В слоях этой зоны возникают деформации
растяжения, направленные перпендикулярно напластованию. По мере прохода
первой лавы и посадки основной кровли деформации зоны наибольшего проги-
ба увеличиваются. Это приводит к расслоению пород, повышению объемов по-
рово-трещинного пространства, что является причиной увеличения в десятки-
сотни раз фильтрационной способности и проницаемости пород, особенно по
направлению напластования (рис. 4, б, в). Зона наибольшего прогиба граничит
с зоной полных сдвижений со стороны подработанного лавой массива и с зоной
опорного давления со стороны нетронутого массива. Очевидно, что при подви-
гании лавы эти зоны тоже увеличиваются.
При этом зона полных сдвижений разгружается и характеризуется пони-
женными давлениями и весьма высокой проницаемостью, связанной с большим
раскрытием систем техногенных трещин. В зоне опорного давления происхо-
дит противоположный процесс, который характеризуется повышенными давле-
ниями и низкой проницаемостью (последнее происходит вследствие упругого
деформирования и частичного закрытия существующих трещин).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
12
а)
б)
в)
1, 2, 3 – зоны повышенного горного давления с коэффициентом концентрации максимальных
главных напряжений 1,5, 2,0 и 2,5, соответственно; 4 – зоны расслоений пород, преимущест-
венно с горизонтальными системами трещин; 5 – зоны с горизонтальными и вертикальными
системами трещин; 6 – зона беспорядочного обрушения кровли; стрелками показаны доми-
нирующие направления газопереноса
Рисунок 4 – Динамика изменения максимальных главных напряжений и развитие систем
трещин вокруг горной выработки: а – впереди лавы, б – в створе лавы, в – в зоне обрушения
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
13
Газоперенос в породном массиве происходит из зон повышенного давления
в зоны пониженного давления по системам связанных трещин, следующим об-
разом. После прохода лавы и осадки основной кровли свободный метан и ДПР
радона из расслоившихся газоносных пород зоны наибольшего прогиба посту-
пает сначала в подработанные породы, а затем в рабочее пространство лавы и
выработку. Одновременно в зоне наибольшего прогиба снижается газовое дав-
ление и сюда поступают газы из нетронутого массива кровли, который дальше
перемещается в породы зоны полных сдвижений, а затем в рабочее пространст-
во лавы. Таким образом, газоперенос происходит по старым и вновь образо-
вавшимся системам трещин из верхних газоносных слоев с большими давле-
ниями в нижние слои зоны полных сдвижений, где давление ниже. И чем
больше происходит рост техногенной трещиноватости, тем более глубинные
зоны породного массива затрагивает этот процесс.
Как показано на рис. 4 под влиянием горных работ происходит активизация
процессов газопереноса метана и продуктов распада радона. Основной поток
метана и инертных газов перемещается в горные выработки по магистральным
трещинам через зоны беспорядочного обрушения над отработанной лавой или
через зоны геологических нарушений. Это подтверждается результатами изме-
рений ДПР радона в конвейерном ходке восточной уклонной лавы, рис. 5, ко-
торые показали, что в местах дислокации геологических нарушений концен-
трация дочернего продукта распада радона α-излучения Po
218
возрастает более,
чем в 2-4 раза по отношению к среднему по выработке значению. На базе ука-
занного критерия предложено использовать радиометрический мониторинг
горных выработок для выявления локаций вновь образовавшихся в процессе
деформирования систем трещин в качестве одного из элементов метода ком-
плексного неразрушающего контроля состояния породного массива.
В зоне повышенного горного давления в результате разрушения горных по-
род и развития систем трещиноватости не только выделяется повышенное ко-
личество радона, а и значительно преобладает количество короткоживущих
изотопов над долгоживущими, то есть происходят процессы, сопровождающие
увеличение интенсивности горного давления. Поэтому определение мест ин-
тенсивной эманационной активности ДПР радона позволяет заблаговременно
обнаруживать участки горных выработок со скрытыми малоамплитудными
тектоническими нарушениями и повышенными концентрациями напряжений.
Это связано с закономерностями распада изотопов радона, эмиссии дочерних
продуктов распада радона и газопереноса метана во времени от источников их
образования в горные выработки, так как, во-первых, изменения концентрации
изотопа Po
218
с учетом времени его распада зависит от изменения трещиновато-
сти приконтурной части горных пород. Во-вторых, изменения отклонений от
среднего уровня концентрации ДПР радона зависят от трансформации объемов
порово-трещинного пространства в процессе ведения горных работ, что позво-
ляет, при известных параметрах проницаемости и фильтрации, прогнозировать
изменения состояния не только приконтурных, но и дальних зон породного
массива.
1
1
6
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
14
- интенсивность изменения СН4; - интенсивность изменения ЭРОА ДПР Rn
Рисунок 5 – Динамика колебаний содержания метана и приведенной ЭРОА ДПР радона от-
носительно среднего значения в горной выработке
Таким образом, параметры изменений активности α-излучений отдельных
изотопов радона, концентраций метана и их соотношений в горных выработках
могут быть использованы для прогнозирования геомеханических и газодина-
мических процессов в породном массиве путем дифференциации во времени
изменений напряженно-деформированного состояния пород, порово-
трещинного пространства, ориентации доминирующих систем трещин и опре-
деления параметров газопереноса вокруг выработок в процессе ведения горных
работ. Полученные научные результаты дают основу для разработки радиомет-
рических и гибридных аналитико-экспериментальных методов контроля за
безопасностью геотехнических систем, а также создания информационных сис-
тем предупреждения опасных ситуаций на промышленных предприятиях.
–––––––––––––––––––––––––––––––
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bigu, J. Radon progeny and thoron progeny relationshipd in canadian underground uranium mines /
J.Bugi // Health Physics. - 1987. - Vol. 52, № 1. - P. 21.
2. Chameand, I. Le risqué radioactive et sa prevention dans les mines uranium de Cogema / I.Chameand
// Industrie Minerale, Mines et Carriere.- 1986. - Vol. 68, pp. 295-300.
3. Dixon, D.W. Monitoring exposure to radon daughters in places of work / D.W. Dixon, M.C. O'Rior-
dan, R.L. Burnett // Radiation Protection Dosimetry. - 1989. - Vol. 24. - Pp. 467-470.
4. Теоретическое обоснование метода радиационного излучения как фактора производственного
контроля состояния породного массива / А.Ф. Булат, В.Г. Перепелица, А.А. Яланский [и др.] // Гео-
техническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2006. – Вып. 66. – С. 3-14.
5. Булат, А.Ф. Взаимосвязи между геомеханическими процессами и эмиссией газа метана и про-
дуктов распада радона в горные выработки угольных шахт / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев, Е.А. Слащева
// Геотехническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2014. – Вып. 114. – С. 272-286.
6. Van der Spoel, W.H. Diffusive transport of radon in a column of moisturized sand / W.H.Van der
Spoel, E.R. Van der Graaf and R.J. de Meijer // Health Physics. – 1999. - Vol. 77, № 2. - Pp. 163-177.
7. Anello, M.T. Theoretical Investigation of Radon Transport in Porous Media / M.T. Anello: A thesis
of MSc, Melborne, Florida, 1994. - 104 p.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
15
8. Харитонов, В.П. Фундаментальные уравнения механики жидкости и газа. – М.: Изд-во МГТУ,
2012. – 65 с.
9. Слащев, И.Н. Применение информационных технологий для повышения эффективности и
безопасности горных работ / И.Н. Слащев // Уголь Украины. – 2013. – № 2. – С. 40-43.
10. Слащев, И.Н. Оценка техногенной трещиноватости методами математического моделирова-
ния / И. Н. Слащев // Геотехническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ НАНУ, 2010. – Вып. 85. –
С. 239-250.
11. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. - М.: Недра, 1987.–
221 с.
12. Булат, А.Ф. Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханиче-
ских процессов / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ
НАНУ, 2012. – Вып. 99. – С. 16-27.
13. Слащев, И.Н. Оптимизация информационной системы оперативного прогноза геомеханиче-
ских процессов для поддержки принятия решений по безопасности шахт / И.Н. Слащев, В.Г. Шев-
ченко, А.И. Слащев // Геотехническая механика. – Днепропетровск, 2013. – Вып. 112. – С. 129-144.
REFERENCES
1. Bigu, J. (1987), ―Radon progeny and thoron progeny relationshipd in canadian underground uranium
mines‖, Health Physics, vol. 52, № 1, h. 21.
2. Chameand, I. (1986), ―Le risqué radioactive et sa prevention dans les mines uranium de Cogema‖, In-
dustrie Minerale, Mines et carriers, vol. 68, pp. 295-300.
3. Dixon, D.W., O'Riordan, M.C. and Burnett R.L. (1989), ―Monitoring exposure to radon daughters in
places of work‖, Radiation Protection Dosim., vol. 24. pp. 467-470.
4. Bulat, A.F., Perepelytsya, V.H., Yalanskyy, A.A., Palamarchuk, T.A., Yefremov, O.I., and
Zabolotniy, A.H. (2013), ―Teoretychne obgruntuvannya zastosuvannya metodu radiatsiynoho
vyprominyuvannya yak faktora vy-robnychoho kontrolyu stanu vuhleporodnoho masyvu‖, Geo-Technical
Mechanics, no. 66, pp. 3-14.
5. Bulat, A.F., Slashchev, I.N. and Slashcheva, Y.A. (2014), ―Interdependencies between geomechanical
processes and emission of methane and radon decay products into underground workings of the coal mines‖,
Geo-Technical Mechanics, no. 114, pp. 272-286.
6. Van der Spoel, W.H., Van der Graaf, E.R. and de Meijer, R.J. (1999), ―Diffusive transport of radon in
a column of moisturized sand‖, Health Phys., vol. 77, № 2, pp. 163-177.
7. Anello, M.T. (1994), ―Theoretical Investigation of Radon Transport in Porous Media‖, A thesis of
M.Sc., Melborne, Florida.
8. Kharitonov, V.P. (2012), Fundamentalnyye uravneniya mekhaniki zhidkosti i gaza [Fundamental equ-
ations of fluid and gas mechanics], Izdatelstvo MSTU them. NE Bauman, Moscow, Russia.
9. Slashchev, I.N. (2013) ―The use of information technology to increase the efficiency and safety of
mining operations‖, Coal of Ukraine, vol. 2, pp. 40-43.
10. Slashchev, I.N. (2010), ―Assessment technogenic fracturing methods of mathematical simulation‖,
Geo-Technical Mechanics, no. 85, pp. 239-250.
11. Fadeyev, A.B. (1987), Metod konechnykh elementov v geomekhanike [The finite element method in
geomechanics], Nedra, Moscow, Russia.
12. Bulat, A.F. and Slashchev, I.N. (2012), ―Development of computer systems mathematical modeling
geomechanical processes‖, Geo-Technical Mechanics, no. 99, pp. 16-27.
13. Slashchev, I.N., Shevchenko, V.G. and Slashchov, A.I. (2013), ―Optimized information system for
on-line predicting of geomechanical process behavior and ensuring proper decision-making on the mine safe-
ty‖, Geo-Technical Mechanics, no. 112, pp. 129-144.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Булат Анатолий Федорович, Академик Национальной академии наук Украины, доктор техни-
ческих наук, профессор, директор института, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова
Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, gtm.bulat@gmail.com.
Слащев Игорь Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, старший
научный сотрудник отдела Проблем разработки месторождений на больших глубинах, Институт гео-
технической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ),
Днепр, Украина, IMSlashchov@nas.gov.ua.
mailto:gtm.bulat@gmail.com
mailto:IMSlashchov@nas.gov.ua
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
16
About the authors
Bulat Anatoly Fedorovich, Academician of the National Academy of Sciences of Ukraine, Doctor of
Technical Sciences (D. Sc), Professor, Director of the Institute, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Me-
chanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine,
gtm.bulat@gmail.com.
Slashchev Igor Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Researcher, Senior Re-
searcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Me-
chanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, IMSlash-
chov@nas.gov.ua.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. У статті наведено результати досліджень процесу надходження збагачених
радоном повітряної (або метаноповітряної) суміші з масиву порід в атмосферу гірничих ви-
робок. Показано, що параметри, які характеризують зміни активності α-випромінювань
окремих ізотопів радону, концентрацій метану і їх співвідношень можуть бути використані
для прогнозування геомеханічних і газодинамічних процесів в породному масиві шляхом
диференціації в часі змін напружено-деформованого стану порід і порово-тріщинного прос-
тору навколо виробок в процесі ведення гірничих робіт. Це пов'язано з закономірностями ро-
зпаду ізотопів радону, емісії дочірніх продуктів розпаду радону і газопереносу метану в часі
від джерел їх утворення в гірничі виробки, так як, по-перше, зміни концентрації ізотопу Po
218
з урахуванням часу його розпаду залежать від зміни тріщиноватості ближньої до контуру ви-
робки частини гірських порід. По-друге, зміни відхилень від середнього рівня концентрації
дочірніх продуктів розпаду радону характеризують процеси трансформації обсягів порово-
тріщинного простору в процесі ведення гірських робіт. Це дозволяє, при відомих параметрах
проникності порід і фільтрації ізотопів радону, прогнозувати зміни геомеханічного стану не
тільки приконтурних, але й віддалених від гірничої виробки зон породного масиву.
Ключові слова: продукти розпаду радону, геомеханічні процеси, проникність, фільтра-
ція, моделювання масиву порід, прогнозування геомеханічного стану
Abstract. The article presents results of investigations of radon-enriched air (or methane-air)
mixture escaping from the solid rocks into the mine working atmosphere. It is shown that
parameters of changes of alpha-radiation intensity in some radon isotopes, methane concentrations
and their proportion can be used for predicting geomechanical and dynamic processes in the rock
massif by differentiated-in-time changes of stress-strain state of the rocks and porous-fractured
space around the mine workings in the process of mining operations. Such changes of alpha-
radiation intensity are explained by natural decay of radon isotopes, emissions of radon-decay
daughter products and methane transported over time from sources of their formation into the mine
workings because, firstly, changes of the Po
218
isotope concentrations with taking into account its
decay time depend on change of the rock fracturing in the marginal area of the mine working. And,
secondly, changes of deviations from the average concentration of radon decay daughter products
depend on transformations of porous-fractured space volume occurred in the process of mining
operations. Under certain parameters of diffusion and filtration, it makes possible to predict changes
of geomechanical conditions not only in the marginal areas but also in remote rocks far from the
mine workings.
Keywords: radon decay products, geomechanical processes, permeability, filtering, modeling
of the rock massif, prediction of geomechanical condition.
Статья поступила в редакцию 22.02.2017
Рекомендовано к публикации д-ром технических наук Шевченко В.Г.
mailto:gtm.bulat@gmail.com
mailto:IMSlashchov@nas.gov.ua
mailto:IMSlashchov@nas.gov.ua
|