технічні науки/гірнича справа

Аспірант Єлезов К.С.

Криворізький національний університет

Особливості робочого середовища підземних пустот, що утворились при експлуатації залізорудних родовищ

При експлуатації залізорудних родовищ досить актуально постає проблема підземних пустот утворених внаслідок відпрацювання покладів підземним способом. Питання визначення параметрів цих пустот є першочерговим завданням вчених, які працюють у області гірничої справи[1].

Робоче середовище підземних пустот є дисперсною системою, утвореною з двох або більшого числа фаз з сильно розвиненою поверхнею розділу між ними. При цьому так звані дисперсні фази розподілені у вигляді дрібних частинок в суцільній фазі - дисперсному середовищі. Розрізняють газодисперсні системи (інакше аерозолі) і рідинодисперсні системи.

Аерозолі складаються з твердих або рідких частинок, зважених в газоподібному середовищі. Розмір частинок може коливатися від 1нм до доль мм. Наприклад, навіть в чистій атмосфері підземної пустоти є частинки води і інших рідких з'єднань розміром близько 0.1 мкм. а у вологому повітрі міститься до 50% частинок розміром від 5 до 20мкм. При капежі розміри крапель досягають 2000мкм. Розміри частинок диму складають десяті долі мкм. У пилі містяться частинки вельми різних розмірів переважно від 100мкм до 0.1мкм і дрібніше. У гірничійй справі прийнято підрозділяти частинки пилу на три групи [2]:

- макроскопічні, діаметром більш 10мкм, які в нерухомому повітрі осідають (седиментують) із зростаючою швидкістю, підкоряючись закону Ньютона:

- мікроскопічні, діаметром від 0,25 до 10 мкм, які осідають в нерухомому повітрі з постійною швидкістю, пропорційною їх питомій вазі і квадрату діаметру (закон Стоксу):

- ультрамікроскопічні, діаметром менш 0,25мкм. які по своїй поведінці в повітрі наближаються до газових молекул в результаті Броунівського руху постійно знаходяться в зваженому стані, тобто седиментаційна стійка.

Швидкість седиментації пилових частинок складає декілька десятків см/сек для частинок розміром 100мкм, декілька мм/сек для частинок 10 мкм і надзвичайно мала для частинок менше 1мкм. Наприклад, для осідання на глибину 50м частинці кварцу розміром 20 мкм необхідне приблизно 0,5 години, а для частинки розміром 0.7 мкм - близько 360 годин.

Таким чином, в атмосфері підземної пустоти може знаходитися велика кількість аерозолів розміром від 0,1 до 5-10мкм, причому переважають частинки розміром від 0,5 до 3 мкм. Подібний стан атмосфери підземної пустоти надає вплив на розповсюдження звукових і електромагнітних хвиль унаслідок поглинання і розсіяння потоку випромінювання. Величина поглинання і розсіяння залежить, в основному, від співвідношення розміру частинок а і довжини хвилі λ, а також від форми і будови частинок Наприклад, при λ > а <0,1-0.2мкм поглинання значно більше, чим розсіяння. При λ<а основний вплив на ослаблення потоку випромінювання надає розсіяння, величина якого пропорційна площі поперечного перетину частинок і їх кількості.

Рідинодісперсні системи умовно підрозділяються на тонкодисперсні і грубодисперсні. Тонкодисперсними або колоїдними системами є різні гидрозоли, частинки дисперсної фази яких зазвичай мають розмір від 10-7 до 10-5см. Вони беруть участь в інтенсивному Броунівському русі і є седиментаційний стійкими. У грубодисперсних системах частинки мають розмір від 10-4 см і вище і, як правило, вони седиментаційна нестійкі. До них відносяться суспензії (пульпа, бурова промивальна рідина), емульсії (сира нафта), розсоли (високомінералізовані води, що утворюються, наприклад, при геотехнологічних методах видобутку корисних копалин).

Таким чином, кожне робоче середовище підземної пустоти відрізняється певним ступенем поглинаючої здатності, від якої залежить втрата енергії що розповсюджуються в ній звукових або електромагнітних хвиль. Тобто, для одних хвиль середовище може бути прозора, а для інших - ні.

Прозорість середовища характеризується відношенням потоку випромінювання (у вигляді паралельного пучка), що пройшло в середовищі, до потоку, що увійшов до цього середовища. У кількісному відношенні ослаблення потоку характеризується об'ємним коефіцієнтом ослаблення α який є сумою об'ємних коефіцієнтів розсіяння і поглинання потоку випромінювання. Користуючись відомим законом Бугера-Ламберта-Бера, запишемо співвідношення між об'ємним коефіцієнтом ослаблення і енергією потоку J₀ на вході в середу і J(S) на виході з неї на відстані S від входу таким чином[3]:

(1)

де е - підстава натуральних логарифмів.

Основне завдання використання звукових і електромагнітних хвиль в робочому середовищі підземної пустоти полягає у визначенні конфігурації пустоти шляхом застосування різних способів звуколокації, радіолокації і оптичної локації. Активна звукова локація передбачає визначення місцеположення об'єкту по віддзеркаленню від нього звуку, що створюється спеціальними пристроями. Радіолокація із зондуючим випромінюванням здійснюється шляхом посилки і прийому відбитих від об'єкту радіохвиль. Оптична локація полягає в опромінюванні об'єкту електромагнітними хвилями оптичного діапазону і прийомі відбитого від нього випромінювання. Отже, на прийомі доводиться мати справу, по-перше, з відбитими хвилями, що пройшли шлях 2S . По-друге, відбувається додаткове ослаблення потоку випромінювання в результаті його розсіяння і поглинання віддзеркалюваної поверхні. Це ослаблення характеризується коефіцієнтом віддзеркалення К, величина якого залежить від відбивної здатності гірських порід.

З урахуванням сказаного, представимо вираз (1) в наступному вигляді:

(2)

де Ке^-a2s - повний коефіцієнт ослаблення потоку випромінювання.

Для визначення повного коефіцієнта ослаблення нами були проведені експериментальні дослідження коефіцієнтів К і α у видимій частині спектру 0,4 ≤ λ≤ 0,8мкм. Вибір цієї області був обумовлений можливостями відомих оптичних приладів і спектральною чутливістю світлоприймачів. Вживана в існуючих приладах оптика не пропускає променів з довжинами хвиль менш 0,36мкм, а фотографічні шари, чутливі до області зверху 0,7мкм (інфрахроматичні фотоматеріали) володіють низькою чутливістю. Крім того, нормальне людське око найбільш чутливе до жовто-зелених променів з довжиною хвилі 0,555мкм і його чутливість падає у міру зміни довжини хвилі в обидві сторони від вказаного значення.

Література:

1. Шолох М.В., Єлезов К.С. Дослідження впливу близьких до поверхні пустот на експлуатацію залізорудних родовищ Кривбасу// Вісник Криворізького технічного університету. -2011. -№28. –С.35-39.

2. Meier G. Erkundung und Verwahrung tagesnaher Hohlraumr in Sachsen// Gluckauf, 1997, S 241-245.

3. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений- И. «Недра», 1978