SU1714160A1 - Способ волнового воздействи на горный массив - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к горной промети и м.б. использовано при подземной разработке угольных пластов (УП), опасных по газодинамическим  влени м. Цель изобретени  - повышение эффектив«ости волно-- вой обработки и снижение выбросоопасности УП за счет установки указанных средств в зоне оптимального воздействи  на выбросоопасность массива. Во вмешающие породы в кутках и по длине забо  бур т скважины и устанавливают вних сейсмодатчики. которые подсоедин ют к шахтной сейсмостанции. В верхней пачке УП поинтервально бур т прогнозную скважину и при помощи сейсмокаротажа определ ют размеры и рассто ни  до зон расслоени  в кровле и почве УП. Скважины дл  размещени  средств вибровоздействи  бур т на глубину расслоени  пород. Сами средства устанавливают на участках скважин, соответствующих проекции на скёажи- ну зоны расслоени  пород, и осуществл ют волновую обработку массива. В зонах с повышенной газодинамической активностью дополнительно бур т скважины во вмещающие породы, размещают в них зар ды ВВ. торпедируют УП и затем производ т волновое воздействие. При этом волновое воздей- ртвие осуществл ют после уплотнени  пустот в результате ретардации деформации пород после торпедировани . Привод тс  зависимости дл  определени  рассто ний от кровли и почвы УП до зон .расслоений и.от забо  выработки до зоны . расслоени . 3 ил.(Лс^ .i..;»4>&^„«лО О''/' ' ' .Изобретение относитс  к горной промышленности и может быть использовано при разработке выбросорпасных пластов.Известен способ борьбы с выбросами, вкл1рчаюи4ий бурение в аабое выработки скважин. устаное1$у в них вибраторов и воздействие на массив виброимпульсной нагрузкой [1].Недостатком известного способа  вл етс  то. что при воздействии на массив виб-роимпульсной нагрузки трещинообразова- ние в зоне опорного давлени  недостаточно равномерно, а следовательно, эффективность виброобработки низка .Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ, включающий бурение в угольном пласте скважин в кутках и по длине забо  выработки, установку в них. виброисточников и волновую обработку пласта [2].

Description

Недостатком этого способа  вл етс  повышенна  опасность возникновени  газодинамического  влени , обусловленна  необходимостью внедрени  в особоопасную зону угольного массива. Кроме того, в рассматриваемом способе не известна эффективна  глубина установки средств волнового воздействи  в горный массив. Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности и безопасности вол новой обработки призабойной части пласта за счет установлени  оптимального места заложени  средств воздействи  0 массиве, Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе, предусматривающем волновое воздействие на горный массив и включающем в себ  бурение скважин в кутках и по длине забо , установку в них средств воздействи  и волновую обработку массива предварительно в забое во вмещающих плает породах, устанавливают сейсмодатчики и подключают их к сети усилител  сигналов и анализатора спектра, например С4-48. Затем вблизи сейсмодатчиков, в еер хней опасной пачке угольного пласта, поинтервально бур т контрольную тарировочную скважину на прогнозируемую глубину и осуществл ют в каждом прогнозном интервале определение спектров сейсмосигналов, примен емых датчиком от бурени  скважины. Поочередно дл  каждого интервала подлине пробуренной скважины стро т спектрограммы и по мере по влени  в спектрах новых более высокочастотных пиков определ ют глубину заложени  зон расслоени  слоев пород кровли пласта. Рассто ние от кровли пласта до расслоени  пород определ ют по формуле ( ф , 2л: cos 1+-, hn -2. где (р arccos(2,5q |Р1 ( 1-fVy)(1-2Vy)hy A 22,273i/1 + 0,605 - + -Lr ; fc - зарегистрированна  собственна  частота колебаний породного массива; /Эп Еп Vn УП - соответственно плотность , модуль упругости, коэффициент Пуассона и коэффициент неупругого сопротивлени  пород; hy, Еу, V - соответственно мощность, модуль упругости и коэффициент Пуассона угольного пласта; I, b - размеры площади пустоты расслоени . В очистном пространстве подработанна  часть горного массива поддерживаетс  не только обрушенными породами или, например , закладкой, но и крепью, бутовыми полосами, невынутым углем (целиками). Слои пород кровли не тер ют св зи с остальным горным массивом, опускаютс  не в виде отдельного блока, а прогибаютс  подобно перекрывающей очистное пространство (выработку) мощной плите, частично опира сь на заполненную выработку разру-. шенным породным материалом (ложна  кровл , вывалы и пр.). Весьма существенна  часть нагрузки передаетс  породными сло ми кровли, сцепленными между собой, на краевую зону угольного пласта. Причем зависающа  породна  консоль может опиратьс  на обрушенные породы с образованием свода обрушени  со сводообразным защемлением и без опоры на обрушенные породы. Каждому горно-технологическому типу пород и каждой используемой технологии присущ свой тип зависани  породной консоли в очистном пространстве. Так, например, если зависающа  породна  консоль опираетс  на обрушенные породы с образованием свода обрушени  (без закладки), то это оказывает благопри тное действие на состо ние кровли в лаве с точки зрени  ее устойчивости . Но при этом существенно увеличиваетс  момент защемлени  пласта, и,, как следствие, повышаетс  выбросоопасность угольного массива. В сло х пород непосредственной кровли над очистным забоем происходит упругбпластическое деформирование масс1/гва в виде упругого прогиба консольно зависших или наход щихс  под действием сил трени  отдельных участков слоев пород с последующим их-отрывом и скольжением отдельных породных блоков по вновь образовавшимс  или ранее существующим поверхност м разрыва. Обычно отрыв породных блоков непосредственной кровли происходит по трещинам разрыва (при изгибе) или среза в зависимости от того, будет ли раньше достигнут предел прочности на раст жение при изгибе (например, в верхней части сло ).

или предел прочности пород кровли на сдвиг в зоне сжати . Обрушение породных консолей происходит через определенные интервалы, равные обычно шагу посадки основной кровли, причем обрушени  происход т обычно в виде отрыва породных блоков непосредственной кровли и затем внезапной посадки основной кровли в конце консоли . Слои пород основной кровлиискривл ютс  под очистным забоем не так сильно, как, например, более нижние слои или непосредственна  кровл . Эти слои пород прогибаютс  без нарушени  сплошности (без разрывов), но в.них иногда за счет соскальзывани  по поверхност м тектонических или других нарушений могут иметь место разрывные смещени .

С удалением от забо  вглубь массива в зонах перехода областей сжати  к раст жению происходит расслоение пород, особенно че1;ко это про вл етс  в зонах контактов пород с различными свойствами, например на поверхности контакта песчаника с глинистым сланцем. В этом случае верхние слои прогибаютс  в меньшей степени, чем нижние . между ними может произойти расслоение , т.е. образование пустот, которые затем по мере перемещени  забо  вновь закрываютс . Поскольку каждый породный слой не только  вл етс  податливым основанием дл  вышележащего сло , но и на нижележащий , то пустоть между--сло ми пород располагаютс  таким образом, что, чем выше над пластом находитс  расслоение, тем больше оно удалено от забо . При этом в образующихс  пустотах скапливаетс  газ, а под полостью в породном слое и в угольном пласте за счет сжати  массива образуетс  зона повышенного напр женного состо ни . Наличие зон расслоени  породного массива приводит к повышению газодинамической опасности угольного пласта. Дл  снижени  выбросоопасности в призабойной зоне пласта щ первую очередь необходимо разупрочнить породный слой непосредственной кровли пласта. Это можно осуществить путем волнового воздействи  на слои пород между углем и расслоением. При этом, чтобы определить ориентацию скважин, предназначенных дл  установки средств воздействи  на массив , необходимо знать координаты пустот расслоени  пород. Наиболее приемлемым, а в большинстве случаев и единственным способом оценки сплошности массива  вл етс  вибросейсмический метод В предлагаемом способе возбуждение упругих колебаний в породах кровли осуществл етс  посредством бурени  скважин в. угольном пласте. В процессе бурени  скважин в

породах кровли, где расположено расслоение , от изгиба слоев пород имеют место колебани , параметры которых завис т и от рассто ни  между пластом и расслоением. При этом, когда основна  резонирующа  частота этих колебаний попадает в диапазон спектральной плотности импульсов от бурени , то всплески частотно-амплитудных характеристик определ ют расположение породного расслоени .

Дл  определени  рассто ни  от кров/1И пласта до расслоени  на основе регистрации собственных частот колебаний сло  пород , расположенного между кровлей и расслоением, принимают следующую модель расчетной схемы (фиг. 3). Слой пород непосредственной кровли под полостью защемлен ижестко сцеплен с угольным пластом . Угольный пласт, лежащий ниже породного сло , считают несжимаемым и в сочетании с породами, залегающими в почве , его рассматривают как однослойное упругое основание. Породы, слагающие горный массив,  вл ютс  од+ ородными, изотропными и обладают как упругими, так и неупругими свойствами, Следует отметить насто тельную необходимость учета неупругих свойств пород, поскольку расчет основываетс  на регистрации собственных частот в натурных услови х, где значительное вли ние на собственные частоты оказывает внутреннее сопротивление средь, в значительной мере обуславливающее затухание колебаний. ,

Частота собственных колебаний Г1литы, сцепленной с упругим основанием с учетом внутреннего трени  пород определ етс  зависимостью

Ко + D Fik

(2) /Onhn

где Ко, D - соответственно жесткость основани  и плиты;

УП , РП - коэффициент неупругого сопротивлени  и плотность породного сло ; hn-высота плиты;

4

AF-Ag

-Ь

-Ь2

(3)

|2Ь2

ь

где 1, b - длина и ширина плиты;

Ajk-параметры балочных функций, завис щие от вида закреплени  краев плиты.

В случае жесткого сцеплени  плиты с основанием жесткость основани  равна ( 1 -Vo)Eo ( 1+Vo)(l-2Vo)rio где Vo , Ео. ho - соответственно коэффициент Пуассона, модуль упругости и мощность 5 подстилающего сло . Жесткость плиты определ етс  соотношением P En hK 12(1-t) где En, Vn - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала плиты.is Поскольку плита защемлена по всему контуру, то параметры балочных функций А| и Afe , равны и определ ютс  соотношением .20 Д /Ik А 22.273 У t +0,605-L + -L . Учитыва  равенство параметров „с Я| и Ak выражение (3) можно преобразовать к виду:

Fi, F :Af-i+ V

(7) Tik - г - л о т о Таким образом, если прин ть все характеристики подстилающего сло  Ко, ho. Ее, Vo за характеристики угольного пласта Ку, hy, Еу. Vy , а размеры поверхности плиты I, b за размеры площади пустоты расслоени , то. использу  зависимости(2), (4) - (7). нетрудно определить рассто ние от кровли, почвы пласта до расслоени  пород, которое соответствует в формуле (2) высоте плиты hn. Определ ют из уравнени  (2) hn. После несложных алгебраических преобразований получают следующее уравнение: h г2 1 On Ку ,д Пп Тс - и , (о) 1 1 -f 12 (1 -v2n) Чтобы решить кубичное уравнение (8), прежде всего привод т его к каноническому виду ние урав мин

Проанализировав неравенство (14), после несложных преобразований оно приводитс  к виду ( 10) -2 -1 с (9). После делени  на J уравне8 ) примет вид hn + Phn + q 0. - рранализировад число и знак решений нени  (11), определ ют знак его дискринta -()Н) V 6.8 К dn F Анализиру  пор док возможных численных значений параметров, вход щих в неравенство (15). получают, что лева  часть неравенства (15) по модулю больше правой. Следовательно D 0. Учитыва  это. а также и то. что значение параметра Р в уравнении (11) О, а q О приходим к выводу, что уравнение (11) имеет один действительный положительный корень (отрицательные действительные корни физического смысла не имеют)} который выражаетс  формулой (9) hn -2Rcos , (16) R(signg)(17) cos (p -г . 2R Учитыва , что sig n q 0, и подставл   (17) в (18) и в (16), получают, что решение кубического уравнени  (8) имеет вид

h, -2Vl3cos(f+). (19)

- 3/2

где arccos (2,5 q IPI) (20)

Таким образом, зна  собственные частоты изгибных колебаний сло  пород непосредственной кровли, лежащего на угольном пласте, а также их свойства, по формулам (1, (20) с учетом (4) - (13) нетрудно рассчитать глубину залегани  пустот расслоени .

В рассматриваемом способе следовало бы при анализе группы основных операций выделить следующие приемы и признаки, в частности условное разбиение тарировочной скважинь по ее длине на прогнозные участки, регистрацию сейсмосигналов и определение их спектров при бурении тарировочной скважины, определение мощности слоев пород кровлм, между которыми располагаютс  расслоени , а также другие признаки . Виброволновее воздействие на выбросоопасный пласт с применением совокупности признаков становитс  менее трудоемким, более безопасным и значительно эффективнее, следовательно, предложенна  совокупность признаков направлена и обеспечивает достижение цели изобретени .

На фиг. 1 приведена.схема осуществлени  способа; на фиг. 2 - спектрограммы сейсмосигнала; на фиг. 3 - расчетна  схема.

На фиг. 1 показаны угольный пласт 1, пласт 2 породы почвы, призабойное (рабочее ) пространство 3, Забойна  крепь 4 с призабойным конвейером, обрушенные породы 5 в очистном пространстве, слой 6-8 пород непосредственной кровли, основна  кровл  9, контрольна  (тармровочна ) скважина 10 в угольном пласте, а также пустоты и расслоени  между сло ми 11-13 пород кровли.

На фиг. 2 показаны спектрограммы зарегистрированного при бурении тарировочной скважины сейсмосигнала после пропускани  его через усилитель и анализатор спектра..

На фиг. 2 показаны амплитудно-частотные характеристики сигналов (АЧХ) в момент времени бурени  скважины 1, в точке К: а - АЧХ в момент бурени  скважины в точке а: б - в момент бурени  скважины в точке б; в - в точке в. Кроме того, цифрами отмечены всплеск (пик) 14, соответствующий собственной частоте угл , пик 15, соответствующий собственной частбте породного сло , расположенного между пластом и первым расслоением 11, 16 между первым 11 и вторым 12 расслоени ми , 17 - между вторым 12 и третьим 13 расслоени ми.

Способ осуществл етс  следующим об5 разом.

Пусть на шахте отрабатываетс  выбросоопасный угольный пласт мощностью 1 м, залегающий под углом 12°. Непосредственна  кровл  пласта 1 представлена сланцами

0 6-8 с углистыми прослойками общей мощностью 6,4 м. Выше залегает песчаник 9 мощностью 12 м. Почва пласта 2 представлена песчаным сланцем мощностью 2,5 м. В забое выработки во вмещающих породах

5 (кровле) устанавливают, например, один сейсмодатчик. Затем подключают его к тракту шахтной сейсмосистемы. После наладки сейсмосети осуществл ют забойные работы, причем сейсмосигналы регистрируют на магнитной ленте. С помощью бурового инструмента буровым электросверлом типа СЭР-19, начинают бурить контрольную тарировочную скважину диаметром 42 мм на необходимую прогнозную глубину. Примем глубину скважины равной 25 м. По мере бурени  скважины в угольном пласте осуществл етс  периодическое, например через 0.5 м, построение спектрограмм генерируемого в массиве сейсмосигнала. По мере уг0 лублени скважиныхарактер

сейсмосигнала измен етс , в спектрограммах начинают по вл тьс  дополнительные пики (фиг. 2, о, а. б. в). При этом каждому по влению нового пика соответствует нова 

5 полость расслоени  породного массива (фиг. 1,11, 12,13). Точки а, б, в на скважине, в которые проектируютс  точки а,б,в и соответствуют глубине расположени  относительно забо  образующихс  расслоений

0 пород.

Если пики на спектрограммах (фиг. 2, цифры 14-17) соответствуют следующим значени м собственных частот: 100, 250, 350 и 500 Гц, то, име  эти данные и зна 

5 осредненную скорость волн в массиве (пусть V 1400 м/с), по формуле (1) определ ют мощность каждого рассматриваемого расслоени  между породными сло ми. Размеры зон расслоений по длине I и ширине b

0 устанавливают посредством дополнительного прозвучивани  массива. Поскольку при длине лавы 100 м, при наличии целиков двух бутовых и чураковых полос, а также соответственно двух зон вли ни  бутовых полос на

5 процесс конвергенции вмещающих пласт пород, длина участка невли ни  будет пор дка 15-25 м. Следовательно, полость будет при рассматриваемых услови х длиной 8-12 м. Примем I 10,0 м, ширину полости b (вглубь массива) примем из следующих соображений: шаг обрушени  (или шаг волны Вебера) 30 м. а полушаг 15 м. Тогда зона повышенных нагрузок будет b 5Л м. Дл  более темного определен и  можно использовать специальное прозвучиеание массива. Пусть пороД|Ы кровли, представленные сланцем, имеют спедующие физико-механические характеристики: плотност /Эп 2.5 10 кг/м. модуль упругости Еп 1ыМПа. коэффициент неупругрго сопротивлени  i(fQ,5, коэффициент Пуассона уп 0,25. Угольный пласт имеет следующие характеристики: мощность Ну 1 м. модуль упругости Еу 10 МПа, коэффициент Пуассона Vy 0,2. Площадь расслоени  имеет следующие размеры I 10 м, b 5 м. Производ т определение рассто ний hn до зон расслоени  массива, соответствующих пикам собственных частот 14-17 на спектрограмме (фиг. 2). Привод т конкретный пример расчета дл  значений собственных частот fc ТОО Гц (фиг. 1. ), (фиг. 2, цифра 14). Поставл   численные значени  параметров в зависимости (1), получают 0,94 : 1 j.i 1 + ( безразмерна  ); 12(1 -г) 0.09 10 (Па); 12(1-0.25) )Ey

14-0,

22.273

(безразмерна );

Р.,Эд. (,.Q4

И .h

lO

Размерность F будет

- 3/2

- arccos (2.5 g I p I)

arccos (2.5 0.5 10 0,77)

arccos (0,96 10) « arccos 0 f;

} arccos - I рад;

L tjT-i

M

.„ -г/ |Гсоз(|.)

55

Claims (2)

1. -2fjf;os(f.f) (. J м4 + M Й)Ё1 100 2.5-10 3- . ft c. . щЗ dhF 0.94-0,09-10 to .2. тредел ют размерность Р 1,1 10 n 0.09 V10 25 то . 0,5 10. змерность q 0.77; ( VfPl) (P) .. . - 3/2т1 ir -2 0,6 (-0.87) 1. Размерность hn будет hn V Таким образом, расчет показывает, что рассто ние от угольного пласта до определенного расслоени  будет 1 м. Пусть значени  hn дл  других частот будут 2. 3,5 и 5 М. Установив месторасположение полостей расслоений относительно угольного массива , бур т скважины, наг ример, диаметром 100 мм в наиболее мощный слой. Зар д ВВ размещают в скважину в середине между зонами расслоений и осуществл ют торпедирование вмещающих пород. Скважины дл  торпедировани  бур т перпендикул рно линии забо . Рассто ние между скважинами принимают пор дка двух радиусов эффективного вли ни  торпедировани . С целью уменьшени  трудозатрат на построение спектрограмм их стро т по мере перемещени  очистного забо  лишь начина  с рассто ни  I (0,7-0,8)30 - 21-24 м от забо . После торпедировани  вмещающих пласт пород и по прошествии времени ретордации пород определ ют уплотнение зон расслоений и осуществл ют виброволно ,вое воздействие на угольный пласт, устанавлива  виброисточники до зоны максимума начальной скорости газовыделени , определенной после релаксировани  массива от торпедировани . Осуществл ют контроль эффективности применени  способа . Цикл выполнени  предлагаемого способа закончен, осуществл ют выемку угл . Предложенный способ волнового воздействи  на горный массив имеет более высокую эффективность и безопасность. Кроме того, использование данного способа целесообразно ведении горных работ по выемке выбросоопасных пластов, особенно при мощных и прочных вмещающих породах. Формула изобретени  1. Способ волнового воздействи  на горный массив, включающий бурение скважины в кутках и по длине очистного забо , установку в них средств дл  осуществлени  волнового воздействи  на массив, от л и ч а ю щи и с   тем, что, с целью повышени  эффективности волновой обработки и снижени  выбросоопасности угольного пласта за счет установки указанных средств в зоне оптимального воздействи  на выбросоопасность массива, предварительно устанавливают зону развити  раст гивающих напр жений в массиве, после чего из забо  выработки бур т шпуры во вмещающие породы почвы и кровли и размещают в них сейсмодатчики, подключают их к сети шахтной сейсмостанции, в верхней пачке угольного пласта поинтервально бур т тарировочные скважины на глубину развити  зоны опорного давлени , производ т на каждом интервале измерение спектров сейсмосигнала и стро т дл  каждого интервала спектрограммы, при этрм по наличию пиков в спектрограммах, полученных при помощи сейсмодатчиков, установленных в кровле пласта, определ ют расположение зон расслоени  пород кровли. а по спектрограммам , полученным с помощью сейсмодатчиков, установленных в почве пласта, определ ют зоны разломов и расслоений пород почвы, по результатам сейсмопрозвучивани  массива фиксируют размеры площади пустот расслоени , причем рассто ние от кровли или почвы пласта до расслоени  пород определ ют по зависимости . „ -2)Ге„з:(|.), где (р arccos(2,5q |Р| ): €рп . F „ . En п . On - Щ 12 (-)«) ( 1-Уу)Еу . «, /1 о л, ч к л y-(i+vy)()hy г г + 0,605 - + -Ч   22,273 b b fc - зарегистрированна  собственна  частота колебаний породного массива; /эиЕп.Уп.Уп - соответственно плотность , модуль упругости, коэффициент Пуансона и коэффициент неупругого сопротивлени  пород;

   hy. Еу,, Vy- соответственно мощность, модуль упругости и коэффициент Пуансона угольного пласта:

   t. b - размеры площади пустоты расслоени ,

   скважины дл  установки средств воздейст- ВИЯ бур т на глубину зоны расслоени  пород , размещают в них средства волнового воздействи  на участках этмхскважин, соответствующих проекции на скважину зоны расслоени  пород, и осуществл ют волновое воздействие на массив.
2. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что при ведении горных работ в зонах повышенной газодинамической опасности дополнительно бур т скважины в зоны расслоени  вмещающих пород, устанавливают в скважинах зар ды ВВ в наиболее мощном

   слое пород между расслоением в месте соединени  воображаемой пр мой центральных частей смежных расслоений, ограничивающих указанный слой пород,

   производ т торпедирование пласта, а затем волновое воздействие на массив.

   3, Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс   тем, что, с целью снижени  трудоемкости работ, регистрацию сейсмосигнала втарировочной скважине производ т периодически в зонах ожидаемого расслоени  пород, расположенных на рассто нии от забо  выработки, определ емом из выражени  I (0,7-0,8) Lui.o. где 1ш.о. - величина

   ожидаемого шага обрушени  пород основной кровли пласта в данном забое, определ ют по спектрограммам сдвижение вмещающих пород и уплотнение пустот после торпедировани  и после уплотнени  пустот осуществл ют волновое воздействие на массив.

   .

   72 .J

   J 2 3

   411 /J/v

   /23 4 y./,%

   -УйГ