PL225639B1 - Sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego w kopalniach podziemnych - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu monitorowania zagrożenia sejsmicznego w kopalniach podziemnych, w celu prognozowania zaistnienia wstrząsów sejsmicznych, w fazie bezpośrednio poprzedzającej potencjalne wystąpienie tąpań i zawałów. Sposób charakteryzuje się tym, że mierzy się i rejestruje co najmniej jeden parametr, związany z powstaniem i wzrostem ładunku elektrycznego na wskutek odkształcania się masywu skalnego, taki jak natężenie pola elektrostatycznego lub natężenie promieniowania elektromagnetycznego z zakresu ultrafioletowego (UV) lub rentgenowskiego (X) lub poziom koncentracji jonów, w strefach potencjalnego zagrożenia sejsmicznego. Parametry te mierzy się i rejestruje, przy użyciu przestrzennej sieci mobilnych stanowisk pomiarowych, wyposażonych w urządzenia pomiarowe i alarmowe, dostosowane do mierzonych parametrów. Zarejestrowane wyniki pomiarów, przetwarza się następnie w panelu elektronicznym i analizuje przez porównanie bieżących wyników pomiarów z poziomem tła zmierzonego w strefie niezagrożonej, a po przekroczeniu określonych progów mierzonych wielkości, ocenianych jako zagrożenie sejsmiczne, odbiera się sygnał świetlny lub dźwiękowy, z modułu alarmowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego w kopalniach podziemnych, w celu prognozowania zaistnienia wstrząsów sejsmicznych, w fazie bezpośrednio poprzedzającej potencjalne wystąpienie tąpań i zawałów.

Występowanie indukowanej sejsmiczności w kopalniach podziemnych jest naturalną konsekwencją wybierania złoża. Masyw skalny dążąc do osiągnięcia nowego stanu równowagi podlega deformacji, która może przebiegać w sposób powolny albo dynamiczny, w postaci wstrząsów sejsmicznych. Szczególnie niebezpieczne są zjawiska sejsmiczne wysokoenergetyczne, które destrukcyjnie oddziaływują na wyrobiska górnicze oraz infrastrukturę powierzchniową. W przypadku wyrobisk górniczych, niektóre wstrząsy sejsmiczne skutkują występowaniem tąpań i zawałów, stanowiących zagrożenie dla zdrowia i życia ludzkiego.

Znane są różne sposoby oceniania zagrożenia zjawiskami sejsmicznymi stosowane w praktyce górniczej, które w pewnym stopniu pozwalają przewidzieć miejsce wystąpienia i ewentualnie energię wstrząsu sejsmicznego. Nadal jednak poszukiwane są metody dokładniejszej prognozy czasowej zagrożenia tąpaniami podziemnych wyrobisk górniczych.

Wynalazek znany z polskiego opisu patentowego nr PL 168 146, dotyczący sposobu oceny stopnia zagrożenia tąpaniami metodą sejsmoakustyczną, polega na tym, że mierzy się aktywność sejsmoakustyczną górotworu przed i po odpaleniu ładunków eksploatacyjnych, przy czym czujniki pomiarowe umieszcza się w strefie roboczej, za frontem robót eksploatacyjnych, zaś przy ocenie stopnia zagrożenia uwzględnia się wytężenie skał oraz przebieg zmian średniej intensywności wys tępowania i średniej umownej energii impulsów sejsmoakustycznych, odbieranych po strzelaniu eksploatacyjnym.

Do wyprzedzającej oceny zagrożenia zjawiskami sejsmicznymi, zgodnie z polskim zgłoszeniem patentowym nr P. 348 802 służy sposób rejestracji zagrożeń sejsmicznych w górnictwie, polegający na równoczesnej rejestracji zintegrowanych danych naturalnych zjawisk sejsmicznych, tj. wstrząsów i sejsmoakustycznych, takich jak trzaski i stuki, z analizowanego obszaru tak, aby zarejestrowane zjawiska sejsmiczne i sejsmoakustyczne miały wspólny czas odniesienia. Integracja zapisów odnosi się do sześciu czujników sieci sejsmicznej i do co najmniej czterech czujników sejsmoakustycznych okontorowujących analizowaną ścianę. Sposób umożliwia obliczanie modelu prędkościowego fali podłużnej „P” na wybiegu analizowanej ściany w okresach 1-4 tygodniowych z przemieszaniem 1-2 tygodni. Pozwala to ustalić nasilanie się zjawisk sejsmologicznych badanego obszaru.

Opisany w patencie nr PL 204 506 sposób pomiaru i kontroli stopnia deformacji górotworu, zwłaszcza w kopalniach rud miedzi, oparty na pomiarze zmian objętościowych masywu skalnego, charakteryzuje się tym, że w skałach górotworu wierci się otwory pomiarowe, w których umieszcza się specjalną sondę pomiarową w kształcie kiszki. Sondę tę pompuje się sprężarką do ciśnienia kilku atmosfer, przez co powstają dwie przestrzenie pomiarowe, pierwsza nad sondą i druga wewnątrz sondy. Pomiarów ciśnienia w przestrzeni nad sondą dokonuje się precyzyjnym manometrem niskociśnieniowym. Wyniki tych pomiarów, świadczą głównie o zmianach przepuszczalności szczelinowej i międzyziarnowej skał. Pomiary w przestrzeni wewnątrz sondy wykonywane precyzyjnym manometrem wysokociśnieniowym świadczą głównie o odkształceniach sprężystych skał.

Znany z patentu nr PL 201 914 sposób polega na obserwacji zarówno zdarzeń sejsmoakustycznych, jak i wstrząsów występujących w danym obszarze i, okresowo, sumowaniu fizycznej energii tych zjawisk dla tworzenia szeregów czasowych całkowitej energii emisji sejsmicznej z tego obszaru oraz na kroczącym prognozowaniu z wartości energii w minionej jednostce czasu oczekiwanej wartości energii w nadchodzącej jednostce czasu dla wspomnianego obszaru, korzystnie metodą prognozy liniowej.

Sposób, będący przedmiotem wynalazku, monitorowania zagrożenia sejsmicznego w ośrodkach naruszonych eksploatacją górniczą, bazuje na założeniu, że każdy wstrząs sejsmiczny poprzedzony jest określonym procesem deformacyjnym masywu skalnego, przejawiającym się w postaci pękania, tarcia, ściskania i mikroprzemieszczeń. Wzmożone procesy deformacyjne wywołują powstanie ładunku elektrycznego na powierzchni skał i w ich otoczeniu oraz pochodne zjawiska fizyczne w postaci emisji promieniowania elektromagnetycznego UV i X oraz jonizację powietrza, generowane w przestrzeni wyrobisk kopalnianych.

Sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego polega na tym, że mierzy się i rejestruje co najmniej jeden parametr, związany z powstaniem i wzrostem ładunku elektrycznego na wskutek odPL 225 639 B1 kształcania się masywu skalnego, taki jak natężenie pola elektrostatycznego lub natężenie promieniowania elektromagnetycznego z zakresu ultrafioletowego (UV) lub rentgenowskiego (X), lub poziom koncentracji jonów, w strefach potencjalnego zagrożenia sejsmicznego, przy czym parametry te mierzy się i rejestruje, przy użyciu przestrzennej sieci mobilnych stanowisk pomiarowych, wyposażonych w urządzenia pomiarowe i alarmowe, dostosowane do mierzonych parametrów.

Zgodnie ze sposobem do pomiarów parametrów stosuje się mierniki lub detektory wybrane z grupy obejmującej mierniki natężenia pola elektrostatycznego albo detektory promieniowania elektromagnetycznego ultrafioletowego, albo detektory promieniowania elektromagnetycznego rentgenowskiego, albo mierniki koncentracji jonów do pomiaru stopnia jonizacji powietrza w wyrobiskach kopalnianych. Wyniki pomiarów poddaje się akwizycji, korzystnie w zintegrowanym z miernikiem lub detektorem, panelu elektronicznym, w którym przetwarza się i analizuje zarejestrowane dane. W etapie analizowania porównuje się bieżące wyniki pomiarów z poziomem tła zmierzonego w strefie niezagrożonej, a po przekroczeniu określonych progów mierzonych wielkości, ocenianych jako zagrożenie sejsmiczne, wysyła się sygnał świetlny lub dźwiękowy, z modułu alarmowego, przy czym progi alarmowe wyznacza się uprzednio eksperymentalnie dla każdego pola eksploatacyjnego poprzez odniesienie wyników pomiarów tła w strefie zagrożonej sejsmicznie do poziomu tła pomiarowego zmierzonego w strefie niezagrożonej.

Korzystnie, ustala się dwa progi alarmowe, obejmujące próg podwyższonego poziomu zagrożenia i próg alarmowy. Ponadto, komunikację z aparaturą pomiarową realizuje się za pomocą terminala komunikacyjnego, umożliwiającego pobranie zgromadzonych danych pomiarowych, zmianę wartości ustalonych progów alarmowych oraz interwału pomiarowego.

Korzystnie, rejestrację danych pomiarowych prowadzi się cyklicznie z zadanym krokiem czasowym.

Urządzenia pomiarowe w strefie zagrożonej sejsmicznie, podwiesza się do kotew w wyrobiskach górniczych lub mocuje do stojaków podporowych lub stawia się je na spągu wyrobiska, w specjalnej obudowie.

W odmianie wynalazku sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego polega na tym, że w ysoki poziom natężenia promieniowania ultrafioletowego (UV) lub rentgenowskiego (X), śledzi się w strefach potencjalnego zagrożenia sejsmicznego przy użyciu przestrzennej sieci stanowisk, zaopatrzonych w luminofory, emitujące pod wpływem tego promieniowania światło widzialne. Światło widzialne, odbierane wzrokowo z co najmniej kilku sąsiednich punktów pomiarowych przez pracującą załogę górniczą, przyjmuje się jako jakościowy sygnał zagrożenia sejsmicznego w wyrobisku kopalnianym.

Sposób według wynalazku umożliwia wyprzedzające określenie w czasie fazy poprzedzającej wystąpienie górniczych wstrząsów sejsmicznych poprzez ciągłe śledzenie i rejestrowanie parametrów zjawisk fizycznych, związanych z powstaniem i wzrostem ładunku elektrycznego, świadczących o wzroście zaawansowania procesów deformacyjnych, bezpośrednio w otoczeniu frontu eksploatacyjnego.

Główną zaletą wynalazku jest możliwość uzyskania krótkoterminowej prognozy czasowej wystąpienia górniczych wstrząsów sejsmicznych, poprzez pomiar natężenia pola elektrostatycznego, promieniowania elektromagnetycznego lub stopnia zjonizowania powietrza w wyrobiskach kopalnianych, oraz bieżące porównywanie z wartościami kryterialnymi, wyznaczonymi dla dwóch poziomów zagrożenia, względnie prostą i mało kosztowną metodą.

Prognoza czasowa w połączeniu z informacją o lokalizacji potencjalnych rejonów wystąpienia wstrząsów pozwala na podejmowanie doraźnych działań ochronnych przed zagrożeniem sejsmicznym, polegających na wycofaniu załogi górniczej z zagrożonych rejonów oraz działań profilaktycznych zmierzających do ograniczenia tego zagrożenia.

Szczególnie proste w obsłudze, w przypadku stwierdzenia w atmosferze kopalnianej obecności promieniowania ultrafioletowego, jest użycie sieci markerów światła widzialnego, jako sygnalizatorów zagrożenia sejsmicznego.

Sposób według wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie realizacji i na rysunkach, na których: fig. 1 przedstawia schematycznie położenie stanowisk pomiarowych w polu eksploatacyjnym, fig. 2 - schematyczne położenie stanowisk pomiarowych wyposażonych w luminofory, fig. 3 - wyrobisko ze stanowiskiem aparatury pomiarowej mocowanej do kotew, fig. 4 - wyrobisko ze stanowiskiem aparatury pomiarowej, mocowanej do stojaków podporowych, fig. 5 - stanowisko obudowanej aparatury pomiarowej, usytuowanej na spągu wyrobiska z opcją powiadamiania dozoru górniczego, fig. 6 - sta4

PL 225 639 B1 nowisko aparatury pomiarowej na spągu wyrobiska z odbiornikiem sygnału alarmowego, usytuowanym w maszynie górniczej, fig. 7 - stanowisko pomiarowe z luminoforem mocowanym do kotwy.

P r z y k ł a d I

Sposób polega na tym, że w wybranych lokalizacjach stanowisk pomiarowych L, w strefie zagrożenia sejsmicznego S, w otoczeniu linii frontu eksploatacyjnego F oraz w strefie uskokowej U pola eksploatacyjnego, dokonuje się cyklicznego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego, za pomocą zintegrowanych urządzeń pomiarowo-alarmowych 1, wyposażonych w mierniki natężenia pola elektrostatycznego, podwieszonych do kotew 2, osadzonych w stropie wyrobisk 3. Za pomocą bezprzewodowego terminala komunikacyjnego 4 przy udziale operatora 5 ustawia się wartości progowe alarmów, okres cyklu pomiarowego oraz uruchamia się pracę urządzenia pomiarowo-alarmowego 1, przy czym wcześniej wyznacza się wartości progowe na podstawie wizytacyjnych pomiarów natężenia pola elektrostatycznego za pomocą przenośnych mierników natężenia pola elektrostatycznego w strefie niezagrożonej sejsmicznie N, w okresie 2 tygodni. Jako wartości progowe przyjmuje się arbitralnie ustalone 20% i 40% przekroczenie uśrednionej wartości tła pomiarowego w strefie niezagrożonej sejsmicznie, odpowiadające odpowiednio podwyższonemu progowi zagrożenia oraz progowi alarmu. W fazie monitorowania strefy zagrożonej, rejestruje się co 30 minut, chwilowe wartości natężenia pola elektrostatycznego na danym stanowisku pomiarowym L, a następnie wyznacza się średnią wartości natężenia pola z trzech ostatnich pomiarów. Procedurę tę powtarza się na bieżąco dla każdego następnego pomiaru, przy czym bieżący pomiar dodaje się, a ostatni z trzech pomiarów odejmuje. Zgodnie ze sposobem, w przypadku, gdy dla trzech kolejnych cykli obliczeniowych dojdzie do 20% przekroczenia uśrednionej wartości tła pomiarowego w strefie niezagrożonej sejsmicznie, uruchamia się sygnał świetlny informujący dozór górniczy oraz pracującą załogę 5 o wystąpieniu podwyższonego stanu zagrożenia sejsmicznego. W przypadku przekroczenia 40% progu, uruchamia się sygnał świetlny i dźwiękowy, sygnalizujący dozorowi i załodze 5 stan alarmu i konieczność podjęcia natychmiastowych działań doraźnych.

P r z y k ł a d II

Sposób jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że dokonuje się cyklicznych co 60 minut, pomiarów promieniowania ultrafioletowego (UV) za pomocą zintegrowanych urządzeń pomiarowo-alarmowych 1, wyposażonych w detektory promieniowania ultrafioletowego. Urządzenia 1 mocuje się do stojaków podporowych 6, osadzonych w wyrobiskach górniczych 7. Ponadto, generowany lokalnie, w rejonie punktu pomiarowego, sygnał alarmowy przesyła się także do komórki górniczej, w której jest odbierany.

P r z y k ł a d III

Sposób jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że dokonuje się cyklicznych co 90 minut, pomiarów promieniowania rentgenowskiego (X) za pomocą modułów pomiarowo-alarmowych (ZMPA) 1, wyposażonych w detektory promieniowania rentgenowskiego. Moduły 1 umieszcza się w specjalnej obudowie ochronnej 8 i stawia na spągu wyrobisk górniczych 9. Generowany lokalnie, w rejonie punktu pomiarowego, sygnał alarmowy przesyła się także do odbiorników 10 stanowiących wyposażeniu dozoru górniczego.

P r z y k ł a d IV

Sposób jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że dokonuje się okresowych, co 2 godziny pomiarów jonizacji powietrza za pomocą modułów pomiarowo-alarmowych (ZMPA) 1, wyposażonych w mierniki koncentracji jonów. Moduły 1 umieszcza się w specjalnej obudowie ochronnej 8 i stawia na spągu wyrobisk górniczych 9. Generowany lokalnie, w rejonie punktu pomiarowego, sygnał alarmowy przesyła się także do odbiorników usytuowanych, na maszynach górniczych 11.

P r z y k ł a d V

Sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego polega na tym, że śledzi się w sposób ciągły widzialną reakcję luminoforów rozmieszczonych w strefie zagrożenia sejsmicznego S będących w zasięgu wzroku pracującej załogi górniczej 12. Luminofory, w postaci proszku umieszczonego w małych, przezroczystych pojemnikach 13, podwiesza się do kotew 2 umieszczonych w stropie wyrobisk górniczych 3. Obserwacje prowadzi się w punktach pomiarowych P rozmieszczonych w postaci regularnej sieci, korzystnie na skrzyżowaniach wyrobisk górniczych. W przypadku zastosowania luminoforów ocena zagrożenia sejsmicznego ma charakter jakościowy, a o jego wzroście świadczy widzialne światło emitowane przez luminofory w wyniku dużego wzrostu promieniowania ultrafioletowego UV w wyrobisku kopalnianym.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego w kopalniach podziemnych, w celu prognozowania zaistnienia wstrząsów sejsmicznych w fazie bezpośrednio poprzedzającej potencjalne wystąpienie tąpań i zawałów, oparty na śledzeniu zjawisk fizycznych, wywołanych wzmożonymi procesami deformacyjnymi, zachodzącymi w wyrobiskach górniczych, znamienny tym, że mierzy się i rejestruje co najmniej jeden parametr, związany z powstaniem i wzrostem ładunku elektrycznego na wskutek odkształcania się masywu skalnego, taki jak natężenie pola elektrostatycznego lub natężenie promieniowania elektromagnetycznego z zakresu ultrafioletowego (UV) lub rentgenowskiego (X), lub poziom koncentracji jonów, w strefach potencjalnego zagrożenia sejsmicznego (S), przy czym parametry te mierzy się i rejestruje, przy użyciu przestrzennej sieci mobilnych stanowisk pomiarowych (L), wypos ażonych w urządzenia pomiarowe i alarmowe (1), dostosowane do mierzonych parametrów, zarejestrowane wyniki pomiarów, przetwarza się następnie w panelu elektronicznym i analizuje przez porównanie bieżących wyników pomiarów z poziomem tła zmierzonego w strefie niezagrożonej, a po przekroczeniu określonych progów mierzonych wielkości, ocenianych jako zagrożenie sejsmiczne, odbiera się sygnał świetlny lub dźwiękowy, z modułu alarmowego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do pomiarów parametrów stosuje się mierniki lub detektory wybrane z grupy obejmującej mierniki natężenia pola elektrostatycznego albo detektory promieniowania elektromagnetycznego ultrafioletowego albo detektory promieniowania elektromagnetycznego rentgenowskiego albo mierniki koncentracji jonów do pomiaru stopnia jonizacji powietrza w wyrobiskach kopalnianych.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyniki pomiarów poddaje się akwizycji, w zintegrowanym z miernikiem lub detektorem, panelu elektronicznym służącym do akwizycji, przetwarzania i analizy danych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że progi alarmowe wyznacza się eksperymentalnie dla każdego pola eksploatacyjnego poprzez odniesienie wyników pomiarów w strefie zagrożonej sejsmicznie do poziomu tła pomiarowego zmierzonego w strefie niezagrożonej.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że ustala się dwa progi alarmowe, obejmujące próg podwyższonego poziomu zagrożenia i próg alarmowy.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że komunikację z aparaturą pomiarową realizuje się za pomocą terminala komunikacyjnego (4), umożliwiającego pobranie zgromadzonych danych pomiarowych, zmianę wartości ustalonych progów alarmowych oraz interwału pomiarowego.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrację danych pomiarowych prowadzi się cyklicznie z zadanym krokiem czasowym.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że urządzenia pomiarowe w strefie zagrożonej sejsmicznie, podwiesza się do kotew (2) w wyrobiskach górniczych lub mocuje do stojaków (6) podporowych lub stawia się je na spągu wyrobiska (9), w specjalnej obudowie (8).
9. 9. Sposób monitorowania zagrożenia sejsmicznego w kopalniach podziemnych, w celu prognozowania zaistnienia wstrząsów sejsmicznych w fazie bezpośrednio poprzedzającej potencjalne wystąpienie tąpań i zawałów, oparty na śledzeniu zjawisk fizycznych wywołanych wzmożonymi procesami deformacyjnymi, zachodzącymi w wyrobiskach górniczych, znamienny tym, że wysoki poziom natężenia promieniowania elektromagnetycznego, śledzi się w strefach potencjalnego zagrożenia sejsmicznego, przy użyciu przestrzennej sieci stanowisk (P), wyposażonych w luminofory (1) emitujące światło widzialne, przy czym światło widzialne, odbierane wzrokowo z co najmniej kilku sąsiednich punktach pomiarowych, przez pracującą załogę (12) i dozór górniczy, przyjmuje się jako jakościowy sygnał zagrożenia sejsmicznego w wyrobisku kopalnianym.