Взаимосвязи между геомеханическими процессами и эмиссией газа метана и продуктов распада радона в горные выработки угольных шахт

Abstract

В статье решена актуальная задача по оценке условий фильтрации в породном массиве газа метана совместно с продуктами распада радона и изменения их физических параметров в горных выработках угольных шахт. Предложена методика численного моделирования перемещения потоков газа метана и изотопов радона из областей повышенного горного давления через трещины в зонах сдвигов и растяжений пород в горные выработки. Для описания процесса газопереноса использована интегральная форма закона Дарси для случая радиального установившегося потока. В шахтных условиях исследованы взаимосвязи между содержанием метана и изотопов радона в атмосфере горной выработки. Для оценки условий совместного газопереноса метана и аэрозолей радона через породы предложено использовать минимальные главные деформации элементов геомеханической модели и девиатор тензора деформаций, определяющие параметры сжатия, сдвига и растяжения порово-трещинного пространства. Впервые установлен ряд физических особенностей эмиссии в горные выработки метана совместно с дочерними продуктами распада радона, согласно с которыми: концентрация α-излучения Po²¹⁸ возрастает в зависимости от расстояния до забоя штрека, а его интенсивность в 2-4 раза превышает интенсивность изотопов Pb²¹⁴ и Bi²¹⁴; существует устойчивая взаимосвязь между динамикой изменений концентрации метана и приведенной концентрацией продуктов распада радона в диапазоне отклонений от среднего значения ± 20 %, при этом скачкообразные всплески в диапазоне выше 40 % объясняются различными источниками формирования и скоростями переноса потоков метана и аэрозолей радона через поры и трещины в тектонически нарушенных зонах массива; эмиссия радионуклида Po²¹⁸ слабо связана с выделениями α-частиц Pb²¹⁴ и Bi²¹⁴, и, напротив, между эмиссиями Pb²¹⁴ и Bi²¹⁴ с более длительным периодом полураспада наблюдается тесная взаимосвязь, что объясняется физикой процесса распада радионуклидов. Установленные взаимосвязи служат базой для разработки новых методов прогнозирования проявлений геомеханических и газодинамических процессов.

У статті вирішено актуальне завдання по оцінці умов фільтрації в породному масиві газу метану спільно з продуктами розпаду радону і закономірностей змін їх фізичних параметрів в гірничих виробках вугільних шахт. Запропоновано методику чисельного моделювання переміщення газу метану і адвекції ізотопів радону з областей підвищеного гірського тиску через тріщини в зонах зрушень і розтягувань порід в гірничі виробки. Для опису процесу газопереносу використана інтегральна форма закону Дарсі для випадку радіального сталого потоку. В шахтних умовах досліджені взаємозв'язки між вмістом метану та ізотопів радону в атмосфері гірничої виробки. Для оцінки умов спільного газопереносу метану і аерозолів радону через породи запропоновано використовувати мінімальні головні нормальні деформації елементів геомеханічної моделі та девіатор тензора деформацій, які визначають параметри стиснення, зсуву і розтягування порово-тріщинного простору. Вперше встановлено ряд фізичних особливостей емісії в гірничі виробки метану спільно з дочірніми продуктами розпаду радону, згідно з якими: концентрація α - випромінювання Po²¹⁸ зростає в залежності від відстані до забою штреку, а його інтенсивність в 2-4 рази перевищує інтенсивність ізотопів Pb²¹⁴ і Bi²¹⁴; існує стійкий взаємозв'язок між динамікою змін концентрації метану і наведеною концентрацією продуктів розпаду радону в діапазоні відхилень від середнього значення ± 20 %, при цьому стрибкоподібні сплески в діапазоні вище 40 % пояснюються різними джерелами формування і швидкостями перенесення потоків метану і аерозолів радону через пори і тріщини в тектонічно порушених зонах масиву; емісія радіонукліда Po²¹⁸ слабо пов'язана з виділеннями α-частинок Pb²¹⁴ і Bi²¹⁴, і, навпаки, між емісіями ізотопів Pb²¹⁴ і Bi²¹⁴ с більш тривалим періодом напіврозпаду спостерігається тісний взаємозв'язок, що пов’язано з фізикою розпаду радіонуклідів. Встановлені взаємозв'язки служать базою для розробки нових методів прогнозування проявів геомеханічних і газодинамічних процесів.

Purpose of this article is to specify conditions for joint filtration of methane and radon decay products and changes of their physical parameter in the workings of coal mines. A method for numerical simulation of methane transfer and radon isotope from areas with high rock pressure through the cracks in zones with rock shift and stretching into the mine workings was proposed. To describe of gas transfer processes, an integrated form of the Darcy law for a case of radial steady flow was used. Interdependencies between methane and radon isotope contents in the atmosphere of mine workings were investigated in-situ. The author proposes to assess conditions for the joint methane transfer and radon aerosol through the rocks with the help of minimum principal strains of elements in the geomechanical model and deformation tensor deviator which define compression, shift and stretching parameters of the pore-fractured space. It is for the first time when specific physical features of joint emission of methane and radon decay products into the mine working are disclosed: concentration of the Po²¹⁸ α-radiation increases depending on the distance to the development heading and its Po²¹⁸ intensity is 2-4 times higher than intensity of α-radiation of Pb²¹⁴ and Bi²¹⁴ isotopes; there is a stable interdependency between dynamics of changes in methane concentration and reduced concentration of radon decay products when deviation of concentration change is within ± 20 % from the mean value, and abrupt peaks of concentration changing above 40 % can be explained by different sources of formation of methane and radon-aerosol flows and different rates of their transfer through the pores and cracks in tectonically disturbed zones of the rock massif; emission of the Po²¹⁸ radionuclide is weakly connected with radiation of the Pb²¹⁴ and Bi²¹⁴ α-particles, and, conversely, between Pb²¹⁴ and Bi²¹⁴ emissions with a longer half-life a strong interdependency is observed. These interdependencies can be a basis for designing new methods for prediction manifestations of geomechanical and gasdynamic processes.