RU1804556C

RU1804556C - Method for stress relief of rock mass

Info

Publication number: RU1804556C
Application number: SU894741082A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Бакулин; Андрей Викторович Бакулин
Original assignee: Виктор Николаевич Бакулин
Priority date: 1989-08-07
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1993-03-23

Abstract

Использование: управление состо нием массива горных пород при его отработке. Сущность изобретени : предварительно определ ют в разгружаемом массиве направление главных напр жений. В -плоскости, проход щей через линию действи минимального главного напр жени , бур т скважины . В части скважин осуществл ют гидроразрыв путем нагнетани в них инертного газа с расклинивающими агентами. В качестве таких агентов используют графит, сажу или кварц, измельченные до 0,03-0,3 мм, В других скважинах размещают виброисточники . Провод т вибровоздействие на массив низкочастотными колебани ми. Вибровоздействие осуществл ют до возникновени в массиве раст гивающих деформаций .Одновременно с вибровоздействием в скважины нагнетают разупрочн ющие растворы. Дл повышени устойчивости выработок после разупрочнени массива в кровлю выработок нагнетают скрепл ющие растворы. В процессе воздействи на массив контролируют его напр женное состо ние геофизическими методами, 5 з.п. ф-лы. 1 ил. ел СUsage: control of the state of the rock mass during its mining. SUMMARY OF THE INVENTION: The direction of the main stresses is preliminarily determined in the discharged array. In a plane passing through the line of action of the minimum principal stress, wells are drilled. Fragmentation is carried out in some of the wells by injection of inert gas with proppants. As such agents, graphite, soot or quartz, crushed to 0.03-0.3 mm, are used. Vibration sources are placed in other wells. Vibration is carried out on the array by low-frequency vibrations. Vibration is carried out before tensile deformations occur in the array. Simultaneously with vibration, softening solutions are injected into the wells. To increase the stability of the workings after softening the array, fastening solutions are injected into the roof of the workings. In the process of influencing the massif, its stress state is controlled by geophysical methods, 5 zp f-ly. 1 ill. ate with

Description

Изобретение относитс к горному делу и может быть, использовано дл управлени состо нием и свойствами пород в массиве в. различных област х наук о Земле.The invention relates to mining and can be used to control the condition and properties of rocks in massif c. various fields of earth sciences.

Цель изобретени - повышение эффек- .тивности способа.The purpose of the invention is to increase the efficiency of the method.

На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - горна выработка, 3 - угольный пласт, 4 - скважины дл проведени гидроразрыва, 5- гидроимпульсаторы; 6, 7, 8 - скважины 6 с размещенными в них источниками 7 и заполненными упруго-в зким телом 8; 9 - ком- прессор высокого давлени , 10 - электронный пульт управлени дл синхронизации работы группы источников колеба- .The drawing shows a diagram of the implementation of the method, where 1 is a rock mass, 2 is a mining, 3 is a coal seam, 4 is a fracturing well, 5 is a hydraulic impulse; 6, 7, 8 - wells 6 with sources 7 placed in them and filled with an elastic-viscous body 8; 9 - high-pressure compressor, 10 - electronic control panel for synchronizing the operation of a group of vibration sources.

НИИ.Research institutes.

Способ осуществл ют следующим обра- 00 зом,СThe method is carried out as follows, C

С помощью датчиков давлени горных пород, устанавливаемых в контрольную (J скважину, определ ют поле напр жений и (п главные векторы (71 и о г в породном мае- л сиве, где следует ослабить напр жени .Using the rock pressure sensors installed in the control (J well, determine the stress field and (n are the main vectors (71 and g in the rock mass, where stresses should be weakened).

В выработке, пройденной на том же го-. v ризонте, на удалении 3-5 длин волн основ- J ной частоты, генерируемой в массив 1, бур т СО скважины 6 диаметром 300-500 мм и глубиной 5-7 м и размещают в них внезврывные пневматические источники 7 в один р д, причем, направление воздействи совпадает с одним из главных напр жений в породном массиве основной выработки 2, то есть источники устанавливают в плоскости, проход щей через линию действи минимального главного напр жени .In the development, passed on the same year. v risone, at a distance of 3-5 wavelengths of the fundamental frequency generated in array 1, drill CO of well 6 with a diameter of 300-500 mm and a depth of 5-7 m and place non-explosive pneumatic sources 7 in one row, moreover, the direction of action coincides with one of the main stresses in the rock mass of the main mine 2, i.e., the sources are installed in a plane passing through the line of action of the minimum main stress.

После этого бур т скважины 4, предназначенные дл гидроразрыва, обустраивают их устьевой арматурой и подключают к гид- роимпульсатору 5 дл нагнетани в него давлением инертного газа с расклинивающими агентами, чтобы при достижении в скважинах гидроразрыва не дать образовавшимс трещинам закрытьс . Нагнетают газ под давлением, производ т гидрораз- рыв одновременно в нескольких скважинах в горном массиве. Это необходимо дл развити в массиве сети фильтрационных трещин ,After that, the wells 4 intended for hydraulic fracturing are drilled, equiped with wellhead fittings and connected to the hydraulic pulse generator 5 to pump inert gas with proppant agents into it so that when the hydraulic fractures are reached in the wells, the formed cracks will not be closed. Gas is injected under pressure, hydraulic fracturing is performed simultaneously in several wells in the rock mass. This is necessary for the development of a network of filtration cracks,

Дл того, чтобы улучшить гидро- и аэродинамические св зи в горном массиве максимальный диаметр и глубину скважин 6 выбирают исход из оптимальных условий возбуждени сейсмических колебаний на частотах 60-150 Гц, при которых имеет место максимальна закачка упругой энергии в тело горной выработки 2 или угольного пласта 3, составл юща 3-9% всей энергии, поступающей в источник 7 от компрессора высокого давлени 9 от 60 до 300 атм. Глубина скважины 6 оптимальна величине давлени столба воды или другого упруго-в зкого тела 8 в качестве которого обычно используют мокрый кварцевый песок, штыб или другие минеральные добавки, которыми заполн ют скважину 6 после размещени в ней источников 7 и определенной экспериментально ранее в морской сейсморазведке на акватори х и составл ющей дл диапазона 60-150 Гц примерно 5-7 м (атмосфер ). Скважины 6 бур т на удалении 3-5 длин волн основной частоты, от места проведени эксперимента-разгрузки горного массива от напр жений. Исход из условий волнового подоби при скорости Р-волн в массиве, равной 3000 м/с длины волн, на частотах 60 Гц составл ют (3000 м/с)/(60 Гц)50 м 1500 Гц 2 м,то есть на удалении 3-5 длин волн это составит 150-200 м. Это обусловлено тем, что на таких удалени х поле упругих напр жений создаваемое источником распределено равномерно, в то врем как на удалени х равным длине волны или меньше ее, оно неравномерно.In order to improve hydro- and aerodynamic communications in the rock mass, the maximum diameter and depth of the wells 6 is chosen based on the optimal conditions for the excitation of seismic vibrations at frequencies of 60-150 Hz, at which the maximum injection of elastic energy into the body of mine 2 or coal formation 3, comprising 3-9% of all energy supplied to the source 7 from the high-pressure compressor 9 from 60 to 300 atm. The depth of the borehole 6 is optimal for the pressure of a column of water or other viscoelastic body 8, which is usually used wet quartz sand, a bayonet or other mineral additives, which fill the borehole 6 after placing sources 7 in it and previously determined experimentally in marine seismic waters and a component for a range of 60-150 Hz is about 5-7 m (atmospheres). Wells 6 are drilled at a distance of 3-5 wavelengths of fundamental frequency from the place of the experiment, unloading the rock mass from stresses. Based on the conditions of wave similarity at a speed of P-waves in an array of 3000 m / s wavelength at frequencies of 60 Hz, they are (3000 m / s) / (60 Hz) 50 m 1500 Hz 2 m, i.e. at a distance of 3 -5 wavelengths this will be 150-200 m. This is due to the fact that at such distances the field of elastic stresses generated by the source is evenly distributed, while at distances equal to or less than the wavelength, it is uneven.

Врем воздействи - врем синхронной работы группы источников дл приведени горного массива в возбужденное состо ние, регулируемое посредством электронного пульта управлени 10 зависит от обводнен- ности горного массива и его напр женно- деформированного состо ни .Impact time — the time of synchronous operation of a group of sources to bring the rock mass to an excited state, controlled by the electronic control panel 10, depends on the water content of the rock mass and its stress-strain state.

При синхронной работе группы источников амплитуду колебаний медленно поднимают от минимально возможного уровн During synchronous operation of a group of sources, the amplitude of the oscillations is slowly raised from the lowest possible level

до максимального уровн , определ емого уровнем смены деформаций сжати деформаци ми раст жени с таким условием, чтобы не вызвать динамических про вленийto the maximum level determined by the level of change of compressive strains by tensile strains in such a way as not to cause dynamic manifestations

горного давлени , затем нагнетают в.массив инертный газ с расклинивающими агентами и вибровоздействие производ т одновременно с нагнетанием разупрочн ю- щего раствора в скважины, причем, в качестве разупрочн ющего раствора используют 2% растворы гидроокиси натри или гидроокиси натри с метанолом, а в качестве расклинивающих агентов используют графит, сажу, кварц,измельченные доrock pressure, then inert gas is injected into the mass with proppants and vibration is produced simultaneously with injection of the softening solution into the wells, moreover, 2% solutions of sodium hydroxide or sodium hydroxide with methanol are used as softening solution, and as proppants use graphite, soot, quartz, crushed to

размеров 0,03-0,3 мм,и контролируют напр женное состо ние пород в массиве до, во врем и после вибровоздействи геофизическими методами исследований: ультразвуковыми методами; методами сthe sizes of 0.03-0.3 mm, and they control the stress state of the rocks in the array before, during and after vibration exposure by geophysical research methods: ultrasonic methods; methods with

использованием сеисмоакустической иusing seismoacoustic and

электромагнитной эмиссии; сейсмическими методами исследований.electromagnetic emission; seismic research methods.

Воздейству на массив вибрационными нагрузками измер ют его напр женно-де5 фомированное состо ние и при достижении в нем напр жений равных 0,5 от разрушающих нагнетают в массив разупрочн ющие растворы. Дл повышени устойчивости горных выработок после разупрочнени Vibrating loads acting on the array measure its stressed-deformed state and upon reaching stresses equal to 0.5 from destructive ones in it, softening solutions are injected into the array. To increase mine stability after softening

0 массива в кровлю нагнетают скрепл ющие растворы в совокупности с анкерованием пород. Таким образом, массив после гидроразрыва и наведени в нем фильтрационных трещин подвергаетс дополнительноBonding solutions in conjunction with rock anchoring inject the massif into the roof. Thus, the array after fracturing and inducing filtration cracks in it is additionally exposed

5 обработке всеми видами сжимающих и раст гивающих нагрузок вызванных вибрационными колебани ми в диапазоне 60-150 Гц, что способствует повышению эффективности способа.5 processing by all types of compressive and tensile loads caused by vibrational vibrations in the range of 60-150 Hz, which helps to increase the efficiency of the method.

0 Сущность способа заключаетс в том, что осуществление гидроразрыва посредством нагнетани в скважины под давлением инертного газа с расклинивающими агентами более эффективно, чем гидроразрыв сThe essence of the method lies in the fact that the implementation of hydraulic fracturing by injection into wells under pressure of inert gas with proppants is more effective than hydraulic fracturing with

5 использованием нагнетани технологических рабочих растворов, так как газы более эффективно проникают в поры и трещины, то есть газы обладают более сильной проникающей способностью по сравнению с5 using the injection of technological working solutions, since gases penetrate pores and cracks more efficiently, that is, gases have a stronger penetration compared to

0 жидкост ми, причем, этот эффект диффунди- ровани газов через поры и трещины массива усиливаетс за счет воздействи вибрационными колебани ми в диапазоне 60-150 Гц. Молекул рное сито, которое0 liquids, moreover, this effect of gas diffusion through the pores and cracks of the array is enhanced by exposure to vibrational vibrations in the range of 60-150 Hz. Molecular sieve which

5 представл ют собой горные породы, позвол ет диффундировать инертным газам более свободно в поры и трещины, чем жидкост м, что в свою очередь снижает прочность пород и при миграции в них расклинивающих агентов, оседающих в порах и5 are rocks, which allows inert gases to diffuse more freely into pores and cracks than liquids, which in turn reduces the strength of rocks and when proppants migrate into them, settle in the pores and

трещинах и не дающих им закрытьс и в свою очередь служат новыми концентраторами напр жений в массиве.cracks and preventing them from closing and in turn serve as new stress concentrators in the array.

Вибровоздействи способствуют повышению проницаемости пород в массиве/го есть на пути распространени упругих волн возникают волны сжати и раст жени ,под воздействием которых флюиды-жидкости и газы, содержащиес в порах и трещинах пород, мигрируют во много раз быстрее, чем в отсутствие упругих болн, то есть вибрации действуют как ТЕКТОНИЧЕСКИЙ НАСОС, причем, миграци флюидов сопровождаетс , как правило, изменением прочностных свойств пород окружающих эти поры и трещины - перераспределением пол упругих напр жений на пути мигрирую- щ их флюидов и частичной дегазацией локального участка массива, подверженного вибровоздействи м. Авторы назвали это вление УПРУГИМ МИГРАЦИОННЫМ ГЕОЭФФЕКТОМ , который имеет место в любых диапазонах частот - от герц до Мгц и способствует миграции флюидов в массиве гор- ных пород при нагнетании в него разупрочн ющих (или упрочн ющих) растворов при решении различных гео- и гор- нотехнологических задач. Скрепл ющие растворы,поступаемые из скважины в при- контурные горные породы,способствует более полному заполнению пор и трещин и после застывани обделка горной выработки составл ет с массивом одно целое и прочность пород повышаетс на 20-40%, что проверено методом гидроразрыва до и после вйбровоздействи .Vibration influences increase the permeability of rocks in the massif.There are compression and extension waves appearing on the propagation of elastic waves, under the influence of which fluid-liquids and gases contained in the pores and cracks of the rocks migrate many times faster than in the absence of elastic waves. that is, vibrations act as a TECTONIC PUMP, moreover, fluid migration is usually accompanied by a change in the strength properties of the rocks surrounding these pores and cracks - redistribution of the field of elastic stresses along the path of the migrating of their vibrations and partial degassing of a local part of the array subject to vibration. The authors called this phenomenon ELASTIC MIGRATION GEOEFECT, which takes place in any frequency range from hertz to MHz and facilitates the migration of fluids in the rock mass during injection of softening materials into it ( or hardening) solutions for solving various geo- and mining-technological problems. The cementing solutions supplied from the well to the near-edge rocks contribute to a more complete filling of pores and cracks and, after solidification, the lining of the mine is one with the massif and the strength of the rocks is increased by 20-40%, which was checked by hydraulic fracturing before and after vibrations.

Преимущества способа состо т в следующем: создание сети фильтрационных трещин после гидроразрыва; создание оптимальных условий возбуждени в горном массиве сейсмических колебаний в вы- бранном диапазоне частот при неизмененных контактных услови х, свести к минимуму веро тность динамики горного давлени и внезапных выбросов угл , породы и газа; привести массив в неудароопас- ное состо ние; повысить проницаемость горных пород в массиве и увеличить гидро- и аэродинамические св зи горных пород; повысить эффективность способа, снизить до 80% объемы бурени шпуров и скважин по сравнению с методом сотр сательного взрывани .The advantages of the method are as follows: creating a network of filtering cracks after fracturing; creation of optimal conditions for excitation of seismic vibrations in the rock mass in the selected frequency range under unchanged contact conditions, to minimize the probability of rock pressure dynamics and sudden emissions of coal, rock and gas; bring the array to non-hazardous state; increase the permeability of rocks in the massif and increase the hydro- and aerodynamic bonds of rocks; to increase the efficiency of the method, to reduce up to 80% the drilling volume of boreholes and wells in comparison with the shock blasting method.

Использование за вл емого способа позволит повысить эффективность способа, снизить трудоемкость горных работ и веро тность про влени динамики горного дав- лени и внезапных выбросов угл , породы и таза по сравнению с известными способами , не использующими методы выбора диа- / пазона и интенсивностей сейсмических колебаний дл разгрузки горного массива от напр жений.The use of the claimed method will increase the efficiency of the method, reduce the complexity of mining operations and the likelihood of manifestation of the dynamics of rock pressure and sudden emissions of coal, rock and pelvis compared with known methods that do not use methods for selecting the range / seismic vibration range for unloading the rock mass from stresses.

Claims

1. A method of unloading a mountain massif from stresses, including vibration exposure to the massif with low-frequency vibrations

before the appearance of tensile deformations in it by vibrators placed in wells drilled in the direction of least attenuation of the array, so that and, in order to increase the efficiency of the method, the mass is preliminarily burst by pumping inert gas with proppants, and vibration exposure is carried out with the simultaneous injection of a softening solution into the wells,

in this case, the direction of the main minimum voltage is taken as the direction of least attenuation of the array.

2. The method according to p. 1, including the fact that the number of necessary periods of vibration exposure is determined from the ratio

П- ° 9UN A

where yN is the geostatic pressure of the rocks; A-amplitude of the elastic wave of vibration. .

3. A method according to claim 1, characterized in that graphite, soot or quartz, crushed to sizes of 0.03-0.3 mm, are used as proppants.

4. The method according to claim 1, with the exception of the fact that 2% hydro- solutions are used as a softening solution. sodium oxides or sodium hydroxides with methanol.

5. The method according to PP. 1-4, characterized in that, in order to increase the stability of the mine, bonding solutions are injected into the roof of the mine after softening the array.

6. The method according to PP. 1-5, the reason is that in the process of processing the array, its stress state is controlled using geophysical methods.