Донецкий национальный технический университет, Донецк

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
УДК 551.590.2:622.272
Е.С. Матлак,
С.Ю. Приходько, В.В. Юрков
КОСМОГОНИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В ШАХТАХ КАК ТЕХНОГЕННЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Донецкий национальный технический университет, Донецк
Забезпечення екологічної безпеки може бути гарантовано лише в умовах стійкого єкологічно безпечного розвитку суспільства. Запропоновано новий підхід прогнозування у часі
екологічних загроз у процесі проявлення газодинамічних явищ з врахуванням космогонічних факторів.
Обеспечение экологической безопасности может быть гарантировано лишь в условиях
устойчивого экологически безопасного развития общества. Предложен новый подход прогнозирования во времени экологических угроз в процессе проявления газодинамических
явлений с учетом космогонических факторов.
В конце 20 века промышленная экология
оформилась в комплексное междисциплинарное научное направление. Центральная проблема этого направления - создание безопасных условий для человека в процессе трудовой
деятельности и защита природной среды от
негативных техногенных воздействий.
Одним из важнейших направлений названной проблемы является безопасность экологических процессов, защита рабочей зоны и
окружающей среды от различных техногенных
воздействий. Прогноз их развития, координация и комплексная реализация находят свое
воплощение в управлении производством по
критериям экологической безопасности. Мировой опыт экономического развития государств указывает, что обеспечение экологической безопасности может быть гарантировано
только в условиях их устойчивого развития.
Необходимость решения экологических
проблем возрастает с увеличением глубины
ведения горных работ. Анализ этого вопроса
показывает, что одной из таких проблем являются внезапные выбросы угля, породы и газа.
Выбросы угля, породы и газа относятся к
грозным природным явлениям, возникающим
под действием хозяйственной деятельности
человека на равновесие процессов в недрах
литосферы. К экологическим последствиям
этих явлений относятся: огромные выделения
метана, который в ряду тридцати парниковых
газов занял прочно второе место после диоксида углерода СО2 по степени опасности для
окружающей среды; возникновение пожаров в
©
угольных пластах, в процессе которых выделяются вредные дымовые газы загрязняющие
атмосферу; имеют место потери полезного
ископаемого; гибель людей в подземных выработках. Налицо имеются признаки экологических катастроф, каждая из которых возникает в случае, если превышается некоторый критерий качества среды.
Таким образом, предотвращение газодинамических явлений представляет собой крупную научную и практическую проблему горнодобывающей промышленности Украины. В
настоящее время ее решение основывается на
геомеханических и физико-химических принципах и при этом совершенно не учитывается
экологическая составляющая. Объективный
анализ современных представлений о природе
и механизме проявления газодинамических
явлений, их классификация по основным генетическим признакам позволяет рассматривать
выбросы угля, породы и газа как динамическое явление, возникающее в газоносных породах, обладающих определенными литологопетрографическими и физико-механическими
свойствами под воздействием статических и
динамических полей напряжений.
Ключевым является вопрос генезиса
напряжений. В работе [7] отмечается, что поля
напряжений возникают вследствие непрерывного развития земной коры. Статические
напряжения могут быть тектонического и нетектонического (атектонического) происхождения. К последним относятся геостатическое
давление, давление из-за неоднородности
Матлак Е.С., Приходько С.Ю., Юрков В.В., 2003
55
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
строения пород, неравномерного изменения их
объемов при уплотнении в процессе диа – и
катагенезиса. Сюда также относят напряжения, возникающие под влиянием температурного расширения пород.
Большинство напряжений атектонического
происхождения по мнению профессора
В.И.Николина с достаточной надежностью
могут быть определены в процессе геологоразведочных работ [7]. Но подчеркивается, что
такие определения невозможны при исследовании напряжений, возникающих вследствие
неоднородностей строения пористого массива
и неравномерного изменения объемов. В то же
время именно эти давления играют наиболее
существенную роль в возникновении локальных перенапряжений.
Тектонические напряжения являются результатом как древних, так и современных
движений земной коры. Эти движения, а также
процессы непрерывного изменения объемов
пород в верхней части земной коры являются
факторами динамических явлений.
Изложенное указывает, что изменение объемов пород в верхней части земной коры как
тектонического, так и атектонического генезиза является решающим фактором в природе
газодинамических явлений. В то же время следует констатировать, что оценка составляющих напряжений в горном массиве все еще
недостаточно надежна, а методы исследований
их в разведочных скважинах еще окончательно не разработаны.
Одним из важнейших актов в борьбе с газодинамическими явлениями есть прогноз последних. Профессор В.И.Николин и др. [7]
считают, что физической основой прогноза
является условие выбросоопасности в виде
них и внутренних факторов, чрезмерное воздействие которых приводит в результате превышения критического уровня к сукцессиям
(переходу системы в новое качественное состояние), в том числе катастрофическим.
Для предотвращения катастрофических явлений необходимо правильно оценивать изменения режима состояния экологической системы с помощью определенных индикаторов.
В экологии к числу таких индикаторов относятся, например, рельеф местности, состояние
почвы, растений, морфологическая структура
природно-территориальных комплексов, динамика увлажнения поверхности Земли, распределение облачного покрова, температура
поверхности Земли и вод, а также некоторые
другие [1]. Однако ни один из перечисленных
индикаторов не может быть использован для
оценки критического уровня качества литосферы, превышение которого сопровождается
проявлением выбросоопасности горного массива. Поэтому целесообразен поиск новых
подходов оценки выбросоопасности, т.е. вероятности экологического риска. Одним из таких
подходов является космогонический. Он позволяет прогнозировать проявление выбросоопасности угольных пластов на основе анализа
астрономических и геофизических данных, т.е.
состояние горного массива на заданный момент времени. Индикаторы (факторы), использующиеся при этом, называются космогоническими [2].
Сущность космогонического подхода заключается в определении объемно-пространственных изменений земной поверхности
во времени за счет приливных процессов и
определении вариаций напряженного состояния горного массива. Приливные процессы
тесно связанны с такими космогоническими
факторами, как гравитационное воздействие
небесных тел, угловая скорость вращения
Земли, движение полюсов Земли, солнечная
активность. Закономерность приливного явления имеет аналитическое выражение [6]:
B = Ф(σр , χ n , σср ) ,
где σср - характеристика предельно напряженного состояния горного массива, обладающего
пределом прочности на разрыв σр и хрупкостью χ n ,
Предложенный подход является сугубо
общим, с его помощью не удается сформулировать критерии конкретного метода прогноза.
Его плодотворность в указании факторов, на
которых должен основываться прогноз, в
частности, предельно напряженном состоянии
горного массива.
Диалектический подход указывает, что гомеостаз среды ( лито-, гидро-, атмосферы)
любой экологической системы не является
однозначным, а зависит от различных внеш-
W=fMR2(3cos2z-1)/2r3,
где W - приливный потенциал, представляющий собой работу, равную произведению высоты прилива на силу притяжения единичной
массы, т. е. ускорению заемного тяготения; f постоянная тяготения; М - масса приливообразующего тела; R - расстояние от центра
Земли до приливообразующего тела; r - расстояние от центра Земли до точки наблюде-
56
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
ния; z - угол между линиями соединяющими
центр Земли с точкой наблюдения.
Геодинамическая модель горного массива,
построенная с учетом космогонических фак-
торов, позволила вывести зависимость горного
давления от вариаций приливного потенциала
[3-4]:

6
4
P(z)max = 8 10  1,5 10 H  0,51  H  0,51  , Па ;
320  H  0,51  
P(z)min =
8  10
6
 1,5  10 4 H  0,27  H  0,27 
, Па
320  H  0,27  
Таблица. Расчетные данные горного давления, изменяющегося под действием приливных сил
Вертикальная компонента горного давления, Па
Глубина
разработки, м
Р0
Рс/ приращение
Рр/ приращение
500
9451220
9459646 / + 8426
9446758 / - 4462
800
14285714
14298780 / + 8060
14281443 / - 4271
1000
1200
17424242
20526150
17432191 / + 7949
20534191 / + 8041
17420033 / - 4209
20522145 / - 4005
Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: Р0 - горное давление без учета
приливных сил; Рс - горное давление при максимальном сжатии горного массива приливными силами; Рр - горное давление при максимальном растяжении горного массива приливными силами.
В таблице показаны данные расчета горного давления, которое изменяется под действием приливных сил.
Сжатие горного массива под воздействием
приливных сил приводит к увеличению горного давления в среднем на 8 КПа, а растяжение
- к его уменьшению на 4 КПа.
Основным показателем, характеризующим
приливное давление, является сила тяжести,
которая рассматривается как производная от
основных космогонических факторов. Оценка
совместного влияния космогонических факторов на частоту проявления внезапных выбросов показала, что наибольшее значение имеет
корреляционное отношение между изменениями силы тяжести и частотой проявления внезапных выбросов. Исследования подтвердили,
что учет вариаций силы тяжести позволяет
наиболее надежно прогнозировать неблагоприятные временные интервалы, в течение
которых возрастает выбросоопасность разрабатываемых угольных пластов [3-4].
Апробация предложенного подхода была
проведена в течении 1999-2002 гг. на шахте
“Глубокая” ГХК “Донецкуголь” и шахте им.
А.Ф.Засядько.
Достоверность
прогноза
составила не менее 90 %.
Перечень ссылок
1. Данилов-Данильян В.И. Экологический кризис и проблемы экологической безопасности // Доклады Четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием
"Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", 16-18 июня 1999 года. В 2-х томах. / Под
ред. Н.И. Иванова. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 1999.
2. Зуев Л.А., Приходько С.Ю. О взаимосвязи частоты внезапных выбросов с космогенными и
геофизическими факторами // Уголь Украины - 2000. - № 5 - С. 41.
3. Овчаренко В.Л., Приходько С.Ю. Влияние приливных деформаций на газодинамические явления в шахтах // Уголь Украины - 1998. - № 6 - С. 35-36.
4. Приходько С.Ю. Прогноз внезапных выбросов угля и газа в шахтах // Проблемы безопасности
в условиях природно-антропогенных воздействий. Стратегия жизни в условиях планетарного экологического кризиса. В 3 томах. - СПб.: Издательство "Гуманистика", 2002. - Т. 3. - С. 127-132.
57
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
5. Валуконис Г.Ю., Приходько С.Ю. Экологические последствия подземных пожаров. // Проблемы безопасности в условиях природно-антропогенных воздействий. Стратегия жизни в условиях
планетарного экологического кризиса. В 3 томах. - СПб.: Издательство "Гуманистика", 2002. - Т. 3. С. 132-136.
6. Мельхиор П. Земные приливы. - М.: Мир. - 1968. - 482 с.
7. Забигайло В.Е., Лукинов В.В., Широков А.З. Выбросоопасность горных пород Донбасса. - Киев : Наукова думка, 1983. - 288 с.
Ye.S. Matlak,
S.Yu.Prikhodko, V.V. Yurkov
COSMOGONIC CRITERIA OF
GAS - DINAMIC PHENOMENA
PROGNOSING IN THE MINES
AS TECHNOGENETIC ECOLOGICAL
FACTORS
Donetsk National Technical University
Providing ecological safety may be guaranteed only in the conditions of stable ecologically safe
development of society a new approach of prognosing at time of ecological threatening in the process of gas-dynamic phenomena occurance considering cosmogonic factors is suggested.
Поступила в редколлегию 16 октября 2003 г.
Представлено членом редколлегии канд. геол.-мин. наук О.К. Тяпкиным
58