RU1793063C - Способ вибрационно-скважинного воздействи на горный массив дл снижени выбросоопасности - Google Patents

Description

тзобретение относитс  к горной промышленности , предназначено дл  предотвращени  выбросов угл  и газа при разработке крутых особовыбросоопасных и выбросоо- пасних угольных пластов, склонных к обру- шаемрсти.

Ирвестен способ снижени  выбросоо- паснссти, включающий бурение скважин по длинезабо  выработки, установку в них виб- роистрчников и последующую виброобработку угольного массива.

Однако данный способ не достаточно безопасен, поскольку при бурении скважин в особропасных зонах пласта возможно раз-7 в зывание газодинамического  влени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению  вл етс  способ виброимпульсного воздействи  на массив дл  предотвращени  выбросов.

Способ включает в себ  бурение скважин р дами во вмещающих породах на определенном рассто нии от угольного массива, установку в них источников воздействи  и после перехода обрабатывающей зоны пласта из особовыбросоопасного состо ни  в выбросорпасное бурение скважин в уголь-- ном пласте, проведение вибровоздействи , выполнение контрол  эффективности применени  меропри ти  и осуществление непосредственного цикла по выемке угл .

Однако данный способ недостаточно эффективен и безопасен при его осуществлении . Низка  эффективность способа обус- ловлена значительным затуханием виброволн во вмещающих пласт породах и, следовательно, осуществление воздействи  непосредственно на уголь волнами с весьма невысокими амплитудами из-за их затухаXI

О

GJ О О СО

ни , что в свою очередь-, дл  безопасной и надежной обработки особоопасных участков требует довольно длительной виброобработки пласта. А в некоторых случа х при довольно прочных угл х частичное-дегази- рование массива, особенно в зоне ориентированных трещин, практически не осуществимо. Кроме того, при виброобработке крутых угольных пластов, склонных к обрушаемости возможно их высыпание, которое вполне может перерасти в газодинамическое  вление.

Цель изобретени  - повышение эффективности и безопасности работ по снижению выбросоопасности путем дополнительного дегазировани  и разгрузки пласта без внедрени  в особоопасную зону призабойной части крутого угольного массива, склонного к обрушаемости.

Поставленна  в изобретении цель достигаетс  тем, что в предложенном способе, включающем в себ  бурение скважин р дами во вмещающих пласт, породах на определенном рассто нии от угл , установку в них источников воздействи  и после перехода обрабатываемой зоны пласта (или за счёт других природных процессов) из особоопас- ного состо ни  в выбросоопасное бурение скважин в угольном пласте, проведение в них вибровоздействй  и контрол  эффективности необходимо выполнить следующие операции. -Бур т наклонные скважины дл  оборудовани  виброскважин во вмещающих пласт породах с внедрением их в уголь призабойной части пласта в зоне ориентированных трещин, осуществл ют с их помощью виброобработку призабойной части пласта до ее перехода в обычное выбросоопасное состо ние, после этого освобождают эти скважины и устанавливают в них со стороны нависающего угольного массива несущие элементы (типа штырей) в качестве передового креплени .

Глубина внедрени  этих наклонных скважин в угольный пласт в месте установки, источника вибрации составл ет не менее рассто ни  до противоположной плоскости контура пласта, равного радиусу эффективного вли ни  вмбровоздействи  каждой виброскважины, а проекции оборудованных виброскважин ориентируют перпендикул рно к пласту.

- Причем оптимальный угол наклона скважин к оси пласта устанавливают использу  зависимость

ta

1У к h - а

где k - коэффициент возможного изменени  гипосметрии пласта в пределах его призабойной части, k 0,0-1,1;

b - глубина в призабойной части пласта зоны ориентированных трещин, м;

а - глубина в призабойной части пласта зоны перем того угл , м;

m - мощность пласта, м;

Нэф.. - радиус эффективного вли ни  каждой виброскважины (радиус разгрузки и дегазировани  пласта), м.

Величина (h) рассто ние от усть  наклонной скважины до пласта определ ем по формуле н а tg a . (2)

Определение величины а и b можно осуществл ть по динамике начальной скорости газовыделени  или ультразвуковым методом по затуханию волн.

Затем бур т скважины в угольный пласт с забо  выработки параллельно оси проведени  выработки и осуществл ют из этих скважин виброобработку пласта поочередно в каждой последующей скважине до безопасного снижени  выбросоопасности. Скважины и врем  виброобработки принимают такими, чтобы зоны трещинообразо- вани  вокруг виброскважины полностью

пересекали обрабатываемый массив, а определ етс  это значени ми радиуса эффективного , вли ни  виброскважины. Радиус эффективного вли ни  одной виброскважины определ ют принимаемыми параметрами вибрации и времени вмброобработки в этой скважине. Причем, использу  известные механизмы вли ни  вибрации.на угольный массив, и также известные результаты исследований получают

.

45

(3)

(1-R)(AK- где Л К 2ag А/лГГ;

уН-gg . vT2EyK к-уНТБд Kc-j()25Q Си а- посто нные малоцикловой усталости угл , определ ем экспериментально;

(7д - амплитуда вибрационного воздействи  на массив, Па;

I - глубина (условна ) трещин в уголь- 55 ном пласте, м;

у Н - гидростатическое давление в пласте , Па;

Е - модуль упругости угл , Па;

у к - поверхностна  эффективна  энерги  разрушени  угл , Дж/м ;

v- коэффициент Пуассона; t- прин тое врем  виброобработки, с; со--частота виброобработки, Гц. Использу  выражение легко рассчитать радиус эффективного вли ни  вибро- зйстви , причем уменьшение (увеличение) о }ного параметра вибрации легко компен- фовать изменением другого, что видно по сражению (2);

Кроме того, дл  повышени  эффектив- н эсти способа авторами предложен р д до- олнительных приемов и операций, которые заключаютс  в следующем,Согласно основной формулы изобрете- и , после виброобработки, массива по- с зедством скважин, пробуренных через вмещающие пласт породы, осуществл ют вчброобработку в скважинных, пробурен- в угольном пласте;. Эти скважины в ольном массиве бур т после виброобра- бэтки пласта через проекции наклонных важин. Эти скважины бур т на глубину, не превышающую суммарную величину глуби- i зоны опорного давлени , определенной

(например, по динамике начальной скоро- и газовыделени } перед началом цикла, и эличины разгрузки пласта в результате 1брообработки наклонных скважин (определ емой , например, по начальной скоро- ги газовыделени )..Причем скважины в ольном массиве далее глубины зоны нахождени  забо  наклонных скважин бур т леньшенным, т.е. минимально возможным /юметром. Перед установкой в эти сква- х ины вибраторов их расшир ют до его диаметра , а в торце оставл ют передовой забой минимального диаметра глубиной е менее IH.O.

Скважины, пробуренные в угольном г ласте, дел т на две группы: четные и нечет- .ie. Виброобработку этими скважинами существл ют поочередно в первой и второй группе скважин, в каждом последующем цикле выемки пласта. Вместе с этим, в учае неэффективного вибрационного воз- ействи  на массив производ т в этом же иикле виброобрзботку посредством второй уппы скважин, использу  первые в каче- ве дегазационных.

После вибровоздействи  на массив по- эедством наклонных скважин последние используют в качестве дегазирующих уголь- i-ый массив и производ т через них отсос гзза из массива. По окончании виброобра- Сотки пласта и осуществлени  контрол  эффективности применени  способа цикл выемки угл  (1цик.) осуществл ют на глубину вглубь массива не превышающую глубину зоны разгрузки пласта (1з.р) без учета минимального размера предохранительной зоны неснижаемого безопасного опережени  пласта Он.о), по фактору возможности разв зывани  выброса, т.е.

ЦИК

з.р. -1Н.

о.

(4)

Причем, (цик.) должно быть меньше глубины нахождени  забо  наклонных 10 скважин (н.в.)

цик. н.Ь.

(5)

Согласно опыта ведени  горных работ,

глубина неснижаемого безопасного опережени  (1н.о.) обычно равна 0,75-1.5 м, а дл  шахт отрабатывающих выбросоопасные угольные пласты в Центральном районе Донбасса обычно принимают н.о 2i1 м. Глубину зоны разгрузки пласта (э.р.) легко определить по изменению начальной скорости газовыделени  из контрольного шпура.

Кроме того, особенно при ведении работ на пластах, склонных к обрушению массива , наклонные скважины в верхнем кутке сооружают как со стороны кровли пласта, так и почвы пласта, т.е. сооружают парные скважины, которые при особой склонности нависающего массива к высыпанию в каждом цикле сооружает дополнительно, а наверх этих групп скважин устанавливают (укладывают) опережающую крепь полностью перекрывающую угольный массив. В качестве такой крепи можно использовать

обычные дерев нные брусы, которые располагаютс  в передовом забое на штыр х ранее установленных в наклонных скважинах в кутке выработки.

Рассматрива  основные особенности

приемов в операций автор хотел бы ввести р д разь снений по более эффективному выполнению способа и разъ снить их физический смысл.

Скважины в угольном массиве бур ттаким образом, чтобы проекции этих скважин на пласт были перпендикул рны к линии угольного забо . Этот признак на эффективность воздействи  не оказывает вли ни , но оказывает вли ние на трудоемкость выполнени  способа путем уменьшени  объема бурени , поскольку перпендикул р всегда короче наклонной линии.

Данное изобретение предопредел ет при выемке угл  посто нно иметь предохранительную безопасную пробу по фактору выброса. Эта пробка должна иметь .некоторую безопасную (неснижаемую) мощность. Обычно, согласно опыту шахт Донбасса, эта пробка принимаетс  на практике 0,75-1,5 м, а дл  некоторых газодинамически опасных (и еще дл  не достаточно проверенных по мнению Комиссии по выбросам угл  и газа способов) пластов это рассто ние бывает установлено и большим - пор дка 2-5 м.

По поводу нахождени  в реальном угольном массиве зон препарированного угл  и зон ориентированных трещин, определ емых глубиной их расположени  (а) и (б), необходимы, по мнению авторов, следующие по снени  согласно существующих положений. В насто щее врем  призабой- на  часть пласта (эта часть пласта) условно разбита на следующие зоны. На поверхности забо  находитс  зона отжима, затем с удалением вглубь массива расположена зона препарированного угл . В этой зоне перемещение газа затруднено, уголь довольно нарушен, его прочность не высока , Затем, с удалением вглубь массива находитс  зона технологических или (согласно гипотезы С.А, Христиановича) ориентированных трещин , которые, в основном, сориентированы параллельно поверхности забо . Поэтому, в зоне ориентированных трещин наблюдаетс  увеличение газовыделени  в скважину. Обычно с учетом зоны отжима зоны препарированного угл  имеет мощность пор дка 1-3 м, зона ориентированных трещин обычно находитс  на глубин от забо  1-5. м.

Под суммарной величиной глубины зоны понимаетс  суммарна  глубина зоны опорного давлени  до применени  способа (т.е. до воздействи  на массив) (1А°о.д.) плюс величина дополнительной зоны разгрузки, образовавшейс  в призабойной части угольного массива От виброобработки пласта от воздействи  на уголь посредством наклонных скважин (1Н С1С%.), то есть суммарна  величина тогда будет определ тьс  зависимостью

Ib lflo0n + l

HiCKB.

(6)

На фиг. 1 показан общий вид на забой пласта, и схемы оборудовани  виброскважин во вмещающих пласт породах и угольном массиве; на фиг.2 - продольный разрез А-А по оси ведени  горных работ при выемке угл ; на фиг.З - продольный разрез по оси ведени  горных работ по верхнему кутку выработку , в наиболее опасной зоне по возможности обрушени  угольного массива; на фиг.4 показан верхний куток выработки.

На фиг.1 приведен угольный пласт 1 расположенный в сечении выработки 2. Усть  наклонных скважин 3, забуренных из вмещающих пласт пород в угольный массив 4 - наклонные скважины; 5 - наклонна  скважин на пробуренна  в верхней кутко- вОй части выработки; 6 - часть наклонной

скважины, дополнительно пробуренна  на всю мощность пласта; 7,8,9,10,11 - скважины , пробуренные в угольном массиве; 12 - виброисточники, установленные в скважины; 13 - передовой забой скважины, пробуренной в угольном пласте минимально возможным диаметром; 14 - наклонна  скважина, пробуренна  с противоположной стороны пласта от ранее существовавшей 4,

0 образу  с ней парные скважины; 15, 16 -. дополнительные наклонные парные скважины; 17-рассчетна  проекци  наклонных скважин/буримых в следующем цикле; 18 - опережающее крепление, устанавливаемое

5 выше парных наклонных скважин и полностью перекрывающее нависающий угольный массив в верхнем кутке выработки.

Содержаща с  в указанном способе совокупность признаков авторами в исследо0 ванной технической и патентной не обнаружена. Следовательно, предложенна  совокупность признаков обладает новизной ....

Вполне очевидно, что после воздействи 

5 на угольный массив посредством наклонных скважин без внедрени  в особовыбросоо- пасные участки, наход щиес  в призабойной перем той части пласта, уголь из особовыбросоопасного состо ни  перехо0 дит в обычное выбросоопасное или вообще в невыбросоопасное состо ние. Поэтому и дальнейшее использование способа (бурение скважин в угольном массиве и прочее) становитс  более эффективным и безопас5 ным, а, следовательно, предложенна  совокупность признаков в объеме данного изобретени  существенна. Что касаетс  признаков, приведенных в последующих пунктах формулы изобретени , то они нэ0 правлены на то, чтобы предотвращение выбросов при применении данного дополнительного изобретени  было достигнуто с наивысшей степенью надежности, эффективности и безопасности, т.е. они в целом

5 развивают и уточн ют совокупность признаков по решению данной технической задачи. Таким образом, данное решение обладает существенными отличи ми, по сравнению с известными способами. Дру0 гих известных решений со сходными признаками не вы влено.

Исход  из изложенного, можно считать, что решение соответствует критери м, предъ вл емым к изобретению.

5 Предлагаемый способ заключаетс  в следующем. Пример конкретного выполнени ,

В случае, когда выработка проводитс  по особовыбросоопасному угольному.пласту тогда определ ют расположение призаВойной части пласта глубину зоны перем того угл  и зоны ориентированных трещин, а также по текущему прогнозу определ ют максимум опорного давлени . Определ ют по формуле из прототипа изобретени  рассто ние h от пласта до усть  скважин. Опре- ел ют по формуле (2) или экспериментально диус эффективного вли ни  вибросква- ины. В качестве источника вибрации при- м пневмовибратор типа ВПГ-Ильчевского рудоремзавода диаметром 75 мм, с частотой О Гц, и амплитудой 3 МПа. Характеристи- угольного массива Си a, E, v, ук известны . Так, при С 0.5: ,01; Е 80 МПа; С h 0,5; у - 5 Дж/м2, Яэф будет составл ть около 0,5 м, при t 0,1 -А, Гц и у Н 30 МПа. Мощность пласта m 1 м. Выполн ем следующие операции. Оп- ,ел ем по динамике начальной скорости выделени  в призабойной части уголь- о массива основные параметры способа 1,5 м; b 3 м,.Коэффициент изменени  гипсометрии пласта К 0,9. По формуле (1) определен угол наклонных скважин и гори- ТУР га н а

зо

km....7.

Отсюда следует, что а Определим по формуле

20,3°

:hf 1,5 tg (20.3°) 0,55м.

Скважины из забо  выработки забуривают с рассто ни  h 0,55 м от пласта под «Ь20° к нему с таким расчетом, чтобы проекции этих скважин на пласт были перпендикул рны к линии забо  пласта. Скважины диаметром 75 мм забуривают в зону ориентированных трещин (на глубину IH.O j b 3 м) и на глубину мощности пласта (т - Рэф) 0,5 м. Устанавливают в забой скважины виброисточники, например, типа пВП Ильчевского рудоремонтного за- вода(г. Стаханов) и частотой воздействи  100 Пц и осуществл ют обработку массива. В процессе виброобработки ведут контроль за состо нием выбросоопасного массива, например, сейсмоакустическим методом или пр динамике газовыделени . Если пласт становитс  невыбросоопасным, то работы на этом заканчиваютс . Если же пласт из состо ни  особовыбросоопасного переме- шел в состо ние выбросоопасного, осуществл ют сооружение скважин в угольном массиве и их виброобработку, а наклонные вибросквзжины подключают к дегазационной сети и с их помощью осуществл ют дополнительный отсос газа из угл . В двух наклонных скважинах, расположенных в верхнем кутке угольного забо  выработки, со стороны нависающего угольного масси- 5 ва, в них устанавливают несущие элементы, например, в скважины ввод т дерев нные горбыли или металлические трубы, которые в этом цикле используютс  в качестве передового креплени .

0 Перед установкой несущих элементов в наклонные скважины последние добурива- ют полностью, пересека  угольный пласт и частично забурива сь во вмещающие породы . В случае повышенной опасности высы5 пани  угольного массива из зоны верхнего кутка в нем образуют парные скважины с введением в них несущих элементов, путем оборудовани  таких парных групп скважин в верхнем кутке осуществл ют вдвое чаще

0 подлине цикла.

Затем по угольному пласту бур т две группы скважин: перва  и втора  группы скважины с усть ми (этих скважин), располагающимис  по линии, соедин ющей усть 

5 ближайших двух наклонных скважин, забуренных ранее во вмещающих пласт породах . Скважины по угольному пласту бур т минимально возможным диаметром (напри- . мер,)42 мм) на глубину, не превышающую

0 глубину зоны опорного давлени  с прибавлением величины зоны разгрузки, образуемой от действи  на массив наклонными виброскважинами. После чего осуществл ют расширение этих скважин в угольном

5 пласте до диаметра виброисточника (в нашем случае 75 мм). Причем расширение скважин осуществл ют до месте установки виброисточника, т.е. оставл   в торце скважины передовой забой уменьшенного диаметра

0 глубиной не меньшей зоны безопасного опережени  (и.о., который существенно усиливает дегазирующий эффект в массиве в результате его виброобработки. Виброобработку производ т на всем прот жении обра5 батываемого участка угольного пласта, начина  с центральных зон, в каждой второй скважине (через одну) по длине забо . Виброобработку в пласте осуществл ют в этой (первой) группе скважин в течении 1

0 часа. Если после виброобработки призабой- на  часть пласта не перешла в невыбросоо- пасное состо ние, то осуществл ют дополнительную виброобработку пласта посредством виброисточников, установлен5 ных во второй группе скважин.

После вибровоэдействи  на массив посредством скважин, пробуренных в угольном массиве, выемку угл  осуществл ют после выполнени  процесса виброобработки массива на безопасную глубину, которую

устанавливают по формуле (4). Дл  определ емого tap пласта по динамике начальной скорости газо вы делени 

1э.р. 1цик

: 3,5 м; 1н.о. 1 м, 3,,5,

То есть после выполнени  способа безопасна  глубина выемки в рассматриваемом случае составит 2,5 м.

Предложенный способ предотвращени  внезапных выбросов угл  и газа, по сравнению с прототипом, имеет более высокую эффективность и безопасность, обусловленные следующими факторами:

возможностью более эффективной дегазации и разгрузки угольного массива без внедрени  в особоопасные участки пласта;

снижением трудоемкости и повышением безопасности проведени  меропри ти .

Кроме того, при использовании предлатаемого способа, врем  виброобработки шахт пласта значительно сокращаетс , прежде всего, за счет уменьшени  количества скважин и возможности одновременного бурени  скважин и виброобработки

пласта по всех скважинах, а также оптимального пор дка их оборудовани  и воздействи  на массив.

Применение способа возможно на всех выбросоопасных и особенно на крутых особовыбросоопасных шахтопластах, склонных к Обрушаемости при ведении- горных работ.

Claims (1)

1. Способ вибрационно-скважинного воздействи  на горный массив дл  снижени  выбросоопаснрсти, включающий бурение скважин во вмещающих породах кровли и почвы пласта, установку1 в нйх источнйков вибровоздействи  и виброобработку массива , бурение скважин по угольному пласту после перехода обработанной зоны из осо- бовыбросорпасногр состо ни  в выбросоо- naCHbeY установку в них источников вибровоздействи  и виброобработку пласта, контроль эффективности виброобработки и непосредственно процессов проведени  выработки , о т ли ч а ющ и и с   тем, что, с целью повышени  эффективности и безопасности работ по снижению выбросоопасности путём увеличени  съема газа и разгрузки пласта от напр жений без внедрени  в особоопасную зону призабоной части крутого угольного пласта , склонного к обрушаемости, скважины во вмещающих породах бур т с наклоном в сторону пласта йгвнёд ёнмёмТих вiуголь;прй- забойной части пласта в зоне ориентированных тр ёщйнТ при этом внедр ют наклонные скважины в угольный массив на глубину не более эффективного радиуса вли ни  вибровоздействи  скважин по мощности пласта, а оптимальный угол наклона скважин к плбскостй Пла ста определ ют по зависимости

««- т где К - коэффициент гипосметрии пласта; m - мощность пласта;

Кэф - радиус эффективного вли ни  вибровоздействи  скважины;.

b - глубина зоны ориентированных трещин;

а - глубина зоны перем того угла, причем рассто ние от усть  наклоннойчжва- жины до пласта определ ют по выражению

h atg a ,

где а - глубина зоны перем того угла;

а - угол наклона скважин, осуществл ют из указанных скважин виброобработку призабойной зоны пласта до перехода этой зоны в обычное выбросоопасное состо ние, после чего освобождают скважины от виброисточников и устанавливают в них несущие элементы в качестве передового креплений, затем производ т бурение скважин по углю в забое выработки и виброобработку угольного массива до снижени  выбросоопасности до безопасного уровн .

2, Способ RO п.1, о т л и ч а ю щ и и с   Тем, что скважины в угольном пласте бур т на глубину, равную сумме размеров зоны опорного давлени , определенной перед началом цикла вибровоздействи  на пласт, и зоны разгрузки пласта в результате виброобработки из наклонных скважин, причем скважины бур т за зону забо  наклонных скважин минимально возможным диаметром и перед установкой в ни источников вибровоздействи  расшир ют до диаметра не менее диаметра виброисточника на глубину его установки, а в торце скважин сохран ют передовую часть уменьшенного диаметра, длиной не менее величины неснижаемого безопасного опережени  дл  данного пласта.

Фцг.З

Фи г. Ь