СПОСОБ БОРЬБЫ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ЯВЛЕНИЯМИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 1995 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, и характеризующихся труднообрушаемыми кровлями и крепкими прослойками почвы.

Известен способ приведения краевой части пласта в неудароопасное состояние, включающий нагнетание воды в пласт в режиме гидрорыхления со ступенчатым увеличением давления воды до величины, не превышающей величины гидроразрыва пласта, при этом перед каждым ступенчатым увеличением давления воды производят его сброс, на всех ступенях нагнетания регистрируют сейсмоакустическую активность пласта, причем переходят на очередную ступень увеличения давления воды после резкого снижения и начала стабилизации темпа нагнетания, а заканчивают нагнетание воды при достижении сейсмоакустической активностью пласта уровня неудароопасного состояния пласта [1] Недостаток способа состоит в том, что он не исключает случаев неравномерной гидрообработки и соответственно деформирования краевой части пласта. При этом практически не изменяются физико-механические свойства непосредственной почвы, которая вследствие своего упругого восстановления в зоне отжима, где пласт потерял свою несущую способность, способствует защемлению краевой части пласта между почвой и кровлей.

Известен способ борьбы с динамическими явлениями при ведении очистных работ, включающий бурение скважин впереди очистного забоя за зоной опорного давления, размещение в них зарядов взрывчатых веществ, их взрывание до подхода зоны опорного давления, нагнетания воды после взрывания зарядов в эти скважины в режиме высоконапорного увлажнения, при этом бурение скважин производят до зоны контакта крепких пород с прослойками, склонными к размоканию, а заряды взрывчатых веществ размещают на контакте крепких пород с прослойками, причем нагнетание воды производят поэтапно, на первом этапе осуществляют низконапорное увлажнение прослоек до подхода к скважинам зоны максимума опорного давления, а на втором этапе высоконапорное увлажнение на протяжении всей зоны максимума опорного давления [2] Недостатком указанного способа является то, что при наличии труднообрушаемой кровли и мощной крепкой почвы, которую подстилает склонная к размоканию прослойка, процесс ее выдавливания из зоны максимума опорного давления в сторону выработанного пространства не исключает некоторого запаздывания опускания пород почвы и, соответственно, неравномерного характера деформирования краевой части углепородного массива, т.е. не исключает в этих условиях динамических проявлений горного давления.

Известен способ борьбы с газодинамическими явлениями при разработке угольных пластов, включающий определение протяженности зоны опорного давления, бурение скважин впереди забоя за зоной опорного давления в горный массив со стороны неотработанного угольного массива и отработанного выемочного столба до зоны контакта пород непосредственной почвы с разрабатываемым пластом, определение параметров нагнетания жидкости в скважины и радиуса увлажнения, обсадку и цементацию скважин, размещение зарядов взрывчатых веществ в скважинах, формирование разупрочненного слоя до подхода зоны опорного давления, подсоединение скважин к высоконапорному и дегазационному ставам, высоконапорное увлажнение, сброс жидкости газочередующимися циклами по скважинам до начала стабилизации давления газа по скважинам, дегазацию горного массива, при этом до начала очистных работ предварительно определяют шаг вторичной осадки основной кровли, ширину защитной зоны разрабатываемого пласта и относительную частоту трещин эндокливажа непосредственной почвы, заряды взрывчатых веществ размещают на контакте пород непосредственной почвы с разрабатываемым пластом, а скважины обсаживают до нижней границы разупрочненного слоя пород непосредственной почвы и цементируют у этой границы, при этом высоконапорное увлажнение разупрочненного слоя непосредственной почвы производят по скважинам, пробуренным со стороны неотработанного угольного массива, а чередование циклов высоконапорного увлажнения, сброса жидкости и отсоса газа производят по скважинам, пробуренным со стороны отработанного выемочного столба, причем начинают чередование циклов со сброса жидкости и отсоса газа, а заканчивают высоконапорным увлажнением, при этом мощность h разупрочненного слоя непосредственной почвы определяют по формуле
h= (0,2-0,4)l_з, где l_з ширина защитной зоны разрабатываемого пласта, м [3] Недостаток данного способа состоит в ограниченной возможности его применения в условиях, характеризующихся наличием труднообрушаемой кровли и мощного монолитного песчаника, подстилающего угольный пласт. В этом случае механизм снижения концентраций напряжений впереди забоя, основанный на использовании трещин, создаваемых в породах почвы посредством взрывания и высоконапорного увлажнения по этим трещинам, оказывается недостаточно действенным для обеспечения безопасной ширины защитной зоны угольного пласта, поскольку на характер трещинообразования в породах почвы пласта существенное влияние оказывает не только мощность песчаников, но и наличие в породах почвы пласта аномальных зон напряжений впереди забоя, способствующих неравномерному локальному распределению нагнетаемой жидкости. Все это приводит к снижению вероятности равномерной обработки пород почвы и не исключает возможности динамических проявлений горного давления впереди очистного забоя при разработке опасных по динамическим явлениям угольных пластов.

В соответствии с этим в основу изобретения поставлена задача снизить концентрацию напряжений в зоне максимума опорного давления за счет создания фильтрационного потока рабочей жидкости, нагнетаемой в породы почвы разрабатываемого угольного пласта, и управления им в пределах зоны опорного давления и зоны разгрузки очистного забоя.

Поставленная задача изобретения достигается тем, что в известном способе борьбы с динамическими явлениями при разработке угольных пластов, включающем определение протяженности зоны опорного давления и ширины защитной зоны разрабатываемого пласта, бурение скважин впереди забоя за зоной опорного давления в горный массив со стороны отработанного выемочного столба, обсадку и цементацию скважин, определение мощности разупрочняемого слоя, содержащего слой пород почвы упругого восстановления, примыкающий к угольному пласту, определение параметров нагнетания жидкости в скважины, формирование разупрочняемого слоя пород на границе с угольным пластом, подсоединение скважин к высоконапорному ставу, согласно изобретению, предварительно определяют пористость пород почвы, границы распространения трещин давления, созданных опорным давлением выше отработанного выемочного столба, относительно выработки, граничащей с этим выемочным столбом, и границы зоны насыщения пород почвы, а затем создают указанную зону насыщения путем бурения скважин насыщения из выше упомянутой выработки до границы распространения трещин давления с обсаживанием их у верхней границы зоны насыщения пород почвы, после чего производят насыщение пород почвы угольного пласта при давлении, определяемом по формуле
Р_н= λ˙γ Н±ρ˙ Н (1) где Р_н давление нагнетания рабочей жидкости, МПа;
λ коэффициент бокового распора пород почвы вблизи выемочной выработки;
γ объемный вес пород, МН/м³;
Н глубина разработки угольного пласта, м;
ρ плотность рабочей жидкости, МН/м³;
знак минус в формуле (1) принимают при насыщении пород почвы из выработки, граничащей с вышеотработанным выемочным столбом, а знак плюс при насыщении пород из выработки, граничащей с неотработанным угольным массивом, при этом продолжительность насыщения пород почвы определяют по формуле
t (2) где t продолжительность насыщения пород почвы, смена;
3,14 число π
m_эф эффективная пористость пористо-трещиноватой среды литологической разности,
R_н радиус насыщения пород почвы, м;
l_н ширина зоны насыщения вдоль скважины насыщения, равная l_ф+R_н, где l_ф фильтрующая часть скважины, м;
q объем рабочей жидкости, нагнетаемой в скважину ежесменно, м³,
а формирование разупрочняемого слоя пород почвы производят высоконапорным увлажнением по скважинам увлажнения, которое выполняют после насыщения пород почвы угольного пласта, при этом бурение скважин увлажнения производят до нижней проектируемой границы разупрочняемого слоя, мощность которого не менее ширины защитной зоны, обсадку и цементацию скважин увлажнения осуществляют у границы распространения трещин давления, причем границу цементации скважин увлажнения располагают от угольного пласта на расстоянии не менее мощности слоя упругого восстановления, а фильтрующую часть скважины увлажнения выносят за границу насыщения пород почвы, причем высоконапорное увлажнение начинают за зоной опорного давления, а заканчивают в зоне максимума опорного давления, высоконапорное увлажнение осуществляют при давлении
Р= σ_р+ λ˙γ H ±ρ˙Н (3) где Р давление нагнетания рабочей жидкости, МПа;
σ_р- предел прочности пород почвы на разрыв, МПа;
λ коэффициент бокового распора пород почвы вблизи выемочной выработки;
γ объемный вес пород, МН/м³;
Н глубина разработки угольного пласта, м;
ρ плотность рабочей жидкости, МН/м³,
при этом скорость фильтрации рабочей жидкости в породах почвы при выполнении высоконапорного увлажнения определяют по формуле
v (4) где v скорость фильтрации рабочей жидкости в породах почвы, см/с;
К_nт коэффициент трещинной проницаемости пород, мдарси;
grad= градиент давления в направлении фильтрации;
ΔР перепад давления, МПа;
Δl мощность фильтрующей толщи пород, см;
γ динамическая вязкость рабочей жидкости, Па˙с;
К_н коэффициент влияния закрытости пор и трещин, зависящий от глубины разработки, т. е. К_н=е^0,002Н, где Н глубина горных работ в интервале от 100 до 1000 м;
|cos ϕ | модуль косинуса угла формирования фильтрационного потока рабочей жидкости между направлением простирания основной системы трещин Кливажа и скважиной увлажнения.

При этом насыщение и высоконапорное увлажнение пород почвы осуществляют также и со стороны неотработанного угольного массива при наличии вдоль выемочных выработок геологического нарушения.

Кроме того, скважины увлажнения бурят из выемочных выработок в породы почвы с возможностью образования фильтрационного потока рабочей жидкости в интервале от 100 до 170^о между направлением простирания основной или торцевой системы трещин кливажа и направлением скважин увлажнения.

В противоположность известному уровню техники заявленное изобретение при его осуществлении позволит обеспечить защитную зону безопасной ширины.

Это достигается тем, то в результате нагнетания по скважинам рабочей жидкости создаваемый в породах почвы фильтрационный поток позволяет раскрыть инициирующие трещины, возникающие в породах почвы при их насыщении вблизи выработки, граничащей с отработанным выемочным столбом, в зоне перехода от трещин давления к трещинам кливажа, с последующим обеспечением их роста под воздействием высоконапорного увлажнения. Как следствие раскрытия и роста инициирующих трещин, происходит перераспределение концентрации напряжений как в направлении к выработке, граничащей с неотработанным угольным массивом, под некоторым углом к очистному забою, так и по мощности фильтрующей толщи пород почвы, увлажнение поверхностей этих трещин, дренирование газа при направленном в сторону выработанного пространства перемещении разупрочненной подстилающей толщи совместно с угольным пластом.

На фиг.1 представлена система разработки угольного пласта; на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 схема бурения скважин насыщения из вентиляционного штрека; на фиг.4 характер изменения скорости потока промывочной жидкости, вытекающей из скважины насыщения по мере увеличения ее длины; на фиг. 5 схема заложения скважин насыщения и скважин увлажнения с вентиляционного штрека; на фиг.6 схема бурения измерительных скважин для определения упругих деформаций пород почвы угольного пласта в защитной зоне в естественных условиях; на фиг.7 изменение относительных деформаций пород почвы по отношению к угольному пласту в зоне опорного давления вышеотработанного выемочного столба; на фиг.8 изменение относительных деформаций пород почвы по отношению к борту вентиляционного штрека в зоне опорного давления вышеотработанного выемочного столба; на фиг.9 изменение относительных деформаций пород почвы пласта в защитной зоне очистного забоя; на фиг.10 характер роста инициирующих трещин в зоне и за зоной опорного давления; на фиг.11 и 12 варианты заложения скважин насыщения и скважин увлажнения с вентиляционного штрека при различной структуре пород почвы; на фиг.13, 14 схемы бурения скважин насыщения и скважин увлажнения из выемочных выработок при различных углах встречи между направлением простирания основной системы трещин кливажа и очистным забоем; на фиг.15 схема заложения скважин насыщения и скважин увлажнения из оконтуривающих выемочный столб выработок; на фиг.16 схема заложения скважин насыщения и скважин увлажнения при наличии геологического нарушения; на фиг. 17 изменение отжима угля в зависимости от мощности фильтрующей толщи пород почвы; на фиг. 18 характер деформации пород почвы и угольного пласта в пределах защитной зоны под действием высоконапорного увлажнения (пунктиром показана зона максимума опорного давления до создания фильтрационного потока).

Выемочный столб 1 подготавливают путем проведения конвейерного штрека 2 со стороны неотработанного угольного массива 3 параллельно вентиляционному штреку 4, а затем отрабатывают очистным забоем 5, оборудованным механизированным комплексом 6 (фиг.1, 2). Впереди очистного забоя 5 расположена зона 7 максимума опорного давления, зона 8 опорного давления протяженностью l_оп, разупрочняемый слой 9 мощностью m_рс пород почвы 10, нижняя проектируемая граница 11 разупрочняемого слоя 9, граница цементации 12, слой упругого восстановления 13 мощностью m_увпород почвы 10, контакт 14 или верхняя граница разупрочняемого слоя 9 с угольным пластом 15, а позади очистного забоя 5 в породах почвы 10 зона разгрузки 16 выработанного пространства 17. Кроме того, на схемах обозначены скважины насыщения 18, скважины увлажнения 19, граница распространения 20 трещин давления 21, борт 22 вентиляционного штрека 4, зона 23 опорного давления вышеотработанного выемочного столба 24, забой 25 скважины насыщения 18, кривая 26 скорости потока промывочной жидкости, соответственно верхняя и нижняя границы 27 и 28 зоны насыщения 29, высоконапорный шланг 30, высоконапорный насос 31, низконапорный став 32, фильтрующая часть 33 скважины насыщения 18, глубинный тензодеформометр 34, измерительная скважина 35, кривая 36 относительных деформаций пород почвы 10 в зоне 23 по отношению к угольному пласту 15, кривая 37 относительных деформаций пород почвы 10 в зоне 23 по отношению к борту 22 вентиляционного штрека 4, защитная зона 28 шириной l_з, кривые 39 и 40 относительных деформаций пород почвы 10 в защитной зоне 38 соответственно до и после вторичной осадки основной кровли 41, инициирующие трещины 42, направление простирания основной системы 43 трещин кливажа, мощные монолитные песчаники 44, фильтрующая часть 45 скважины увлажнения 19, пропласток-спутник 46, периферийные прослойки 47, непосредственная кровля 48, направление простирания торцовой системы 49 трещин кливажа, геологическое нарушение 50, трещина гидроразрыва 51, нижняя часть 52 угольного пласта 15, кривая изменения отжима угля 53 в зависимости от мощности фильтрующей толщи.

Способ борьбы с динамическими явлениями при разработке угольных пластов осуществляют следующим образом.

Первоначально из выемочных выработок 2 и 4 разрабатываемого пласта 15 в породы почвы 10 бурят керновые скважины (условно не показаны) и по испытанию образцов керновых скважин определяют открытую пористость пород конкретных литологических разностей.

Затем из вентиляционного штрека 4 впереди очистного забоя за зоной 8 опорного давления приступают к бурению в породы почвы 10 скважин насыщения 19 и скважин увлажнения 19 (фиг.1, 3, 5). Обуривание выемочного столба 1 производится участками длиной, равной длине зоны 8 опорного давления l_оп. Скважины насыщения 18 бурят до границы распространения 20 трещин давления 21, сформированных горным давлением вблизи вентиляционного штрека 4. Границу 20 определяют в процессе бурения по стабилизации скорости потока промывочной жидкости, вытекающей из скважины насыщения 18. Из графика фиг.4 видно, что промывочная жидкость появляется из скважины 18 при достижении скважиной определенной длины (в рассматриваемом случае около 5 м) относительно борта 22 вентиляционного штрека 4. Это указывает на то, что породы почвы 10 на полосе определенной ширины, прилегающей к вентиляционному штреку 4, представляют собой поле трещин давления 21, созданных в результате воздействия на породы почвы 10 зоны 23 опорного давления вышеотработанного выемочного столба 24. В процессе бурения, т.е. по мере удаления забоя 25 скважины насыщения 18 от вентиляционного штрека 4 породы почвы 10 становятся менее трещиноватыми, скорость потока промывочной жидкости из скважины 18 увеличивается, а затем стабилизируется (кривая 26, фиг.4), достигая максимума, находящегося в рассматриваемом случае в 7,5-8,0 м от борта 22 вентиляционного штрека 4.

После окончания бурения скважин насыщения 18 последние обсаживают, причем обсадку осуществляют у верхней границы 27 зоны насыщения 29 пород почвы 10, приуроченной к минимальной скорости потока промывочной жидкости, а затем их цементируют у границы 27 и подсоединяют с помощью высоконапорных шлангов 30 к высоконапорному насосу 31, а последний к низконапорному ставу 32, после чего осуществляют насыщение пород почвы 10 рабочей жидкостью.

Расстояние между скважинами насыщения 18, равное 2 R_н принимается исходя из условия обеспечения равномерной технологической обработки пород почвы 10 между фильтрующими частями 33 скважин насыщения 18, где R_н радиус насыщения пород почвы (фиг.3). Причем последний определяют по величине упругого восстановления пород почвы 10 в зоне 23 опорного давления вышеотработанного выемочного столба 24 (фиг.3, 7). В зоне 23, где угольный пласт 15 теряет свою несущую способность упругое восстановление пород почвы 10 (или их поднятие под угольным пластом 15 в зоне 23) происходит с критической глубины h_кр, которую определяли в естественных условиях по показаниям глубинных тензодеформометров 34 (фиг.6). Последние устанавливали в породах почвы 10 по длине измерительных скважин 35, пробуренных из очистного забоя 5 на различных расстояниях от вентиляционного штрека 4 (при работе лавы 613-ю пласта Четвертого шахты "Воркутинская" ПО "Воркутауголь") по схемам на фиг.1, 6. Показания глубинных тензодеформометров 34 фиксировали с помощью измерителя деформаций ИИД-3 (условно не показан) с точностью 0,001 мм. Результаты измерений представлены на графиках фиг.7, 8, 9. Так, из графика фиг.7 видно, что величина относительных деформаций (кривая 36) пород почвы 10 в зоне 23 уменьшается по мере удаления от угольного пласта 15, стабилизируясь на глубине (1,2-1,3)l_з и на расстоянии (2,2-2,5)l_з по мере удаления от борта 22 вентиляционного штрека 4 (кривая 37, фиг.8), где l_з ширина защитной зоны 38.

С учетом влияния на породы почвы 10 только зоны 7 максимума опорного давления величина относительных деформаций в защитной зоне 38 очистного забоя 5 по мере удаления от пласта 15 уменьшается, стабилизируясь на расстоянии 0,2 и 0,4 l_з, причем стабилизация на глубине 0,2l_з (кривая 39) и 0,4l_з (кривая 40) проявляется соответственно до и после вторичной осадки основной кровли 41 (фиг.9).

Нижняя граница 28 зоны насыщения 29 пород почвы 10 в зоне 23 опорного давления совпадает с критической глубиной h_кр упругого восстановления в этой зоне (фиг.3).

Радиус насыщения R_н пород почвы 10 ориентировочно можно определить по величине эффективного радиуса увлажнения R_эф (по формуле 19 "Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках", Л. 1991)
R_н= R_эф= (5) где R_н радиус насыщения, м;
Q_общ общий объем жидкости, закачанной в скважину, м³;
l_ф длина фильтрующей части скважины, м;
m_o открытая пористость пород почвы 10, в долях единицы;
3,14 число π
После определения параметров зоны насыщения 29 осуществляют насыщение пород почвы 10, которое выполняют при давлении рабочей жидкости по формуле (1)
Р_н= λ˙γH±ρ˙Н, где Р_н давление нагнетания рабочей жидкости, МПа;
γ- объемный вес пород, МН/м³;
Н глубина разработки угольного пласта 15, м;
λ коэффициент бокового распора пород почвы 10 вблизи вентиляционного штрека 4 или конвейерного штрека 2. λ определяют любым известным способом при оценке напряженного состояния в конкретных условиях на участке выполнения профмероприятий по предотвращению газодинамических явлений, напpимеp, с помощью гидроразрыва пород;
ρ плотность рабочей жидкости, МН/м³.

В формуле (1) знак минус принимают при насыщении с вентиляционного штрека 4 для исключения влияния естественного инфильтрационного потока жидкости в породах почвы 10, а знак плюс при насыщении пород почвы 10 с конвейерного штрека 2 для учета влияния потока.

Численная величина давления Р_н определяется из условия, при котором насыщение пород почвы 10 не нарушает их естественную структуру и приемистость.

Вторым важным фактором при осуществлении насыщения пород почвы 10 является продолжительность их насыщения, которая обуславливается трещинной пористостью, проницаемостью, фильтрацией и определяется по формуле (2)
t где t продолжительность насыщения пород почвы, смена;
3,14 число π
m_эф эффективная пористость пористо-трещиннованой среды литологической разности, m_эф=0,04m_o, где m_o открытая пористость пород, определяемая по результатам испытаний образцов керновых скважин (условно не показаны), пробуриваемых из выемочных выработок 2 и 4;
R_н радиус насыщения пород почвы 10, м;
l_н ширина зоны насыщения 29 вдоль скважины насыщения 18, равная l_ф+R_н, где l_ф фильтрующая часть 33 скважины 18, м;
q объем рабочей жидкости, нагнетаемой в скважину ежесменно и определяемый заданной приемистостью скважин, исключающей нарушение структуры обрабатываемого массива, м³.

Таким образом, основными технологическими факторами при насыщении пород почвы 10 является продолжительность и давление нагнетания рабочей жидкости.

По окончании процесса насыщения (фиг.3, 5) на границе 20 возникают инициирующие трещины 42, раскрытые напором рабочей жидкости и являющиеся переходными полостями между трещинами давления 21 и трещинами кливажа (условно не показаны), после чего приступают к высоконапорному увлажнению пород почвы 10 по предварительно обсаженным и процементированным скважинам увлажнения 19 для формирования разупрочняемого слоя 9 пород почвы 10.

Высоконапорное увлажнение пород почвы 10 начинают впереди очистного забоя 5 за зоной 8 опорного давления, а заканчивают в зоне 7 максимума опорного давления (фиг.1, 2). Под влиянием нагнетания рабочей жидкости в породах почвы 10 происходит рост инициирующих трещин 42, причем направление их роста в значительной степени определяется направлением скважин увлажнения 19 относительно выемочных выработок 2 и 4. На фиг.10 представлены графики роста инициирующих трещин 42, свидетельствующие о том, что рост этих трещин осуществляется преимущественно в направлении в конвейерному штреку 2.

Из графиков фиг.10 видно, что первая стадия высоконапорного увлажнения пород почвы 10, выполняемая за зоной 8 опорного давления, связана с началом и окончанием цикла роста инициирующих трещин 42 между выемочными выработками 2 и 4. Направление роста инициирующих трещин 42 определяется в этом случае преимущественно физико-механическими свойствами пород почвы 10.

Вторая стадия высоконапорного увлажнения пород почвы 10 протекает в зоне 8 опорного давления протяженностью l_оп, в которой под влиянием концентрации напряжений направление роста инициирующих трещин 42 изменяется. Рабочая жидкость под действием напора, создаваемого насосом 31, устремляется в этих условиях к очистному забою 5 по раскрываемым вследствии влияния концентрации напряжений плоскостям ослабления под углом встречи α между направлением простирания основной системы 43 трещин кливажа и очистным забоем 5.

В процессе высоконапорного увлажнения в зависимости от состава пород почвы 10 может возникнуть два варианта формирования разупрочняемого слоя m_рс (фиг.11, 12).

По первому варианту, при котором породы почвы 10 представлены мощными монолитными песчаниками 44, скважины увлажнения 19 бурят до нижней проектируемой границы 11 разупрочняемого слоя 9 согласно его заданной мощности m_рс (фиг. 11). Мощность разупрочняемого слоя m_рссостоит из мощности, обрабатываемой фильтрующей частью 45 скважин увлажнения 19, и мощности слоя упругого восстановления 13:
m_рс= l_фsin β +(0,2-0,4)l_з, ( 6) где m_рс мощность разупрочняемого слоя 9 пород почвы 10, м;
l_ф длина фильтрующей части 45 скважины увлажнения 19, м;
β угол наклона скважины увлажнения 19 относительно горизонта, град;
(0,2-0,4)l_з мощность слоя упругого восстановления 13 в естественных условиях.

Гидрообработку мощных монолитных песчаников 44 начинают через фильтрующую часть 45 скважины увлажнения 19 за зоной 8 опорного давления, а заканчивают вблизи контакта 14 разупрочняемого слоя 9 с угольным пластом 15 в зоне 7 максимума опорного давления. В результате высоконапорного увлажнения рост инициирующих трещин 42 в породах почвы 10 будет проявляться в направлении от границы цементации 12 к верхней границе 14 разупрочняемого слоя 9, как следствие повышения концентрации напряжений и соответственно трещинообразования по мере приближения к угольному пласту 15 от фильтрующей части 45 скважины увлажнения 19.

По второму варианту мощные монолитные песчаники 44, залегающие под угольным пластом 15, содержат угольный пропласток-спутник 46, осложняющий очистные работы газовыделением. Мощность разупрочняемого слоя 9 в этом случае определяется расстоянием между угольным пластом 15 и пропластком-спутником 46 (фиг.12).

При реализации обоих вариантов скважины увлажнения 19 обсаживают и цементируют у границы 20 на расстоянии (2,2-2,5)l_з, а границу 12 скважин увлажнения 19 располагают от угольного пласта 15 на расстоянии, равном не менее мощности слоя упругого восстановления 13 (0,2-0,4)l_з.

Расположение границы цементации 12 скважины увлажнения 19 от угольного пласта 15 на расстоянии не менее (0,2-0,4)l_з определяется, исходя из условия обеспечения со стороны пород почвы 10 активной защитной зоны, чему способствует разупрочнение пород почвы 10, начиная с глубины расположения фильтрующей части 45 скважины увлажнения 19.

Для гидрообработки пород почвы 10 (фиг.5, 11, 12) фильтрующую часть 45 скважин увлажнения 19 выносят за зону насыщения 29, что обуславливает ее активную роль. Под действием давления рабочей жидкости, достигающего 15-20 МПа, в породах почвы 10 осуществляется рост инициирующих трещин 42 в пределах заданной мощности фильтрующей толщи пород. Движение фильтрационного потока рабочей жидкости сопровождается в породах почвы 10 преодолением некоторого газового барьера, не превышающего в угольном пропластке-спутнике 46 давления 6-8 МПа, нарушением его структуры, расслоением, увеличением объема и взламыванием расслоений толщи песчаника 44 в зоне 8 опорного давления.

Нарушение структуры обуславливает метановыделение из угольного пропластка-спутника 46. При этом часть выделившегося метана, перешедшего из молекулярного в свободное состояние, растворяется в рабочей жидкости и оттесняется к периферийным прослойкам 47 (фиг.12), а другая основная его часть перемещается по глубинным трещинам расслоения и гидроразрыва (условно не показаны) из зоны 7 опорного давления и зоны разгрузки 16 в выработанное пространство 17 вышеотработанных выемочных столбов 24, т.е. минует очистной забой 5, поскольку породы почвы 10 под угольным пластом 15 после гидрообработки представляют собой водонасыщенный экран по отношению к угольному пропластку-спутнику 46 (фиг.12).

Анализ графиков фиг.7, 8, 9 свидетельствует о том, что величина относительной упругой деформации пород почвы 10 уменьшается по мере удаления рассматриваемой точки (условно не показана) от контакта 14 разупрочняемого слоя 9 с угольным пластом 15. Из графика фиг.9 видно, что 60-70% суммарной относительной деформации пород почвы 10 происходит на глубине (0,2-0,4)l_з от угольного пласта 15. По мере дальнейшего заглубления рассматриваемой точки от угольного пласта 15 прирост относительной упругой деформации пород почвы не превышает 15% Изложенное позволяет сделать вывод о том, что для исключения динамических проявлений горного давления со стороны пород почвы 10 мощность разупрочняемого слоя 9 должна быть равна, по крайней мере, ширине защитной зоны l_з угольного пласта 15.

При условии наличия в мощных монолитных песчаниках 44 угольного пропластка-спутника 46 мощность разупрочняемого слоя 9, равная по условию обеспечения эффективности m_рс≥ l_з, должна включать в себя суммарно, кроме монолитных песчаников 44, мощность пропласта-спутника 46.

Созданная посредством скважин насыщения 18 сплошная зона насыщения 29 в породах почвы 10 вдоль вентиляционного штрека 4 исключает прорыв рабочей жидкости в выработку 4, поскольку она выполняет роль подпорной зоны.

Следует отметить, что наряду с ростом в породах почвы 20 инициирующих трещин 42, значительное влияние на качество и надежность гидрообработки углепородного массива имеет эффект увлажнения поверхности межблочных инициирующих трещин (условно не показаны), что приводит к снижению сил трения между поверхностями ослабления и их проскальзыванию относительно друг друга из глубины массива в сторону выработанного пространства 17 впереди очистного забоя 5.

Следовательно, под влиянием фильтрационного потока происходит разупрочнение подстилающей толщи угольного пласта 15, что обуславливает сонаправленные подвижки отдельных слоев пород почвы 10 в сторону выработанного пространства 17 и формирует в угольном пласте 15 растягивающие напряжения. Последние, как известно, в наибольшей степени способствуют снижению несущей способности пород. Практически в результате высоконапорного увлажнения пород почвы 10 происходит заблаговременное на всей протяженности опорной зоны 8 изменение их физико-механических свойств, сопровождающееся в зоне 7 максимума опорного давления новой фазой трещинообразования и исключением защемления пласта 15 в защитной зоне 38 между породами почвы 10 и непосредственной кровлей 48 за счет более ускоренного движения в этой зоне в сторону выработанного пространства 17 пород почвы 10 вместе с угольным пластом 15. Это означает, что в результате снижения прочности пород почвы 10 влияние процесса их упругого восстановления на защемление пласта 15 в защитной зоне 38 снижается до минимума или практически исключается.

Высоконапорное увлажнение пород почвы 10 выполняют при давлении по формуле (3).

Для реализации предлагаемого способа скважины увлажнения 19 бурят по схеме фиг.13 с учетом угла встречи α между направлением простирания основной системы 43 трещин кливажа и очистным забоем 5. В большинстве случаев угол встречи α изменяется в диапазоне от 20 до 90^о, а угол формирования фильтрационного потока ϕ между направлением простирания основной системы 43 трещин кливажа и скважин увлажнения 19 составляет 100-170^о.

Если же угол встречи α составляет 90^о, скважины увлажнения 19 бурят по схеме фиг.14.

Рабочую жидкость нагнетают в породы почвы 10 по группе скважин, т.е. сначала по группе скважин 18, а затем по группе скважин 19. В результате такого режима нагнетания более эффективно осуществляется насыщение и высоконапорное увлажнение пород почвы 10. Гидродинамическое воздействие в этом случае определяется выражением
K_гд= ln (7) где К_гд коэффициент гидродинамического эффекта;
n число серий нагнетания рабочей жидкости;
R_н, R_с соответственно радиус насыщения и радиус скважины, м.

Фактор нагнетания рабочей жидкости одновременно по нескольким скважинам в раз усиливает рост инициирующих трещин 42 по сравнению с нагнетанием по одиночным скважинам увлажнения 19.

При выполнении высоконапорного увлажнения скорость фильтрации рабочей жидкости в породах почвы 10 определяют по формуле (4).

Анализ формулы (4) показывает, что изменяя значение мощности фильтрующей толщи пород Δl и угла формирования фильтрационного потока ϕ можно на стадии проектирования рекомендовать оптимальные величины V скорости фильтрации рабочей жидкости в породах почвы 10.

Таким образом, под действием фильтрационного потока, формирующего посредством инициирующих трещин 42 в породах почвы 10 растягивающие напряжения, в подстилающей толще угольного пласта 15 с возрастанием ее фильтрующей мощности практически исключаются динамические проявления горного давления. Основной формой сдвижения пород почвы 10 в сторону выработанного пространства 17 становятся пластические как вертикальные, так и горизонтальные деформации (подвижки), а в угольном пласте 15 по ширине защитной зоны 38 отжим угля. Процесс формирования последнего сопровождается разгрузкой или падением давления на пласт 15 в зоне 7 максимума опорного давления, что обусловливает перемещение этой зоны в глубину массива и способствует увеличению ширины защитной зоны 38, характеризующейся со стороны пород почвы 10 наличием раскрытых инициирующих трещин 42. Такая структура горного массива исключает защемление угольного пласта 15 в защитной зоне 38 между непосредственной кровлей 48 и породами почвы 10, обеспечивая возможность управления горным давлением со стороны пород почвы 10.

Для усиления гидродинамического воздействия на породы почвы 10 в пределах зоны 8 опорного давления скважины насыщения 18 и скважины увлажнения 19 бурят также и с конвейерного штрека 2 (фиг.15). Усилие гидродинамического воздействия на породы почвы 10 возникает в этом случае за счет роста инициирующих трещин 42 в направлении простирания торцовой системы 49 трещин кливажа. Соответственно угол формирования фильтрационного потока между направлением простирания торцовой системы 49 трещин кливажа и направлением скважин увлажнения 19, пробуренных с конвейерного штрека 2, может изменяться в диапазоне от 100 до 170^о.

Схему гидрообработки пород почвы 10 из обеих выемочных выработок 2 и 4 используют так же и при встрече впереди очистного забоя 5 переходимого геологического нарушения 50 типа взброса или сброса (фиг.16). Гидрообработку пород почвы 10 в зоне 8 опорного давления ниже и выше геологического нарушения 50 осуществляют согласно схеме фиг.16.

Цикл высоконапорного увлажнения выполняют на участке длиной, равной протяженности опорной зоны l_оп или превышающей ее. Заканчивают цикл отключением от гидросети ближайшей от очистного забоя 5 скважины 19, как только она оказывается между зоной 7 максимума опорного давления и забоем 5. После отключения упомянутой скважины 19 к гидросети высоконапорного увлажнения подключают одну или две новых скважины 19, расположенных от очистного забоя 5 на расстоянии, равном или превышающем l_оп. После чего начинают новый цикл высоконапорного увлажнения пород почвы 10. Общая длина участка гидрообработки углепородного массива должна быть не менее l_оп.

Нагнетание рабочей жидкости производят с помощью высоконапорного насоса 31 типа УГН, давление контролируют манометром (условно не показан). Скважины насыщения 18 бурят с помощью бурового станка типа БЖ, а скважины увлажнения 19 станками БЖ или СБГ-1 м.

Конкретное применение предлагаемого изобретения изложено ниже по результатам отработки пласта Четвертого лавой 613-ю шахты "Воркутинская" ПО "Воркутауголь".

Мощность пласта 1,5 м. Угол падения 13-18^о. Непосредственная кровля пласта представлена алевролитом мощностью 1,8-4,0 м и прочностью на сжатие 50 МПа. Основная кровля имеет мощность 14-19 м, относится к труднообрушаемым песчаникам с пределом прочности на сжатие 50-120 МП.

Почва пласта мелкозернистый алевролит или аргиллит, иногда крепкий песчаник с прочностью на сжатие 40-70 МПа. Ниже песчаника в 9-10 м расположен угольный пропласток-спутник мощностью 0,4 м. Глубина ведения горных работ 800 м. Величина геостатических напряжений за зоной опорного давления Р= γ Н=0,025˙800=20 МПа. Ширина защитной зоны l_звпереди очистного забоя при базовой технологии выемки угля, т.е. с учетом гидрорыхления краевой части пласта в профилактическую смену составляет 4 м.

Все операции по изложенному выше изобретению выполняются при соблюдении вышеуказанных параметров.

Длина скважин насыщения с вентиляционного штрека составляет 2,5˙l_з= 2,5˙4=10 м, а длина участка их обсадки l_обс=1,2˙l_з=1,2˙4= 4,8 ≈ 5,0 м.

Давление рабочей жидкости при насыщении пород почвы с вентиляционного штрека определяется из выражения
Р_н=λ₁˙γН-ρ Н=0,8˙0,025˙800-0,01˙800=8 МПа, а при насыщении пород почвы с конвейерного штрека
Р_н=λ₁˙γ Н+ ρ Н=0,3˙0,025˙800+0,01˙800= 14 МПа.

Продолжительность насыщения пород почвы вблизи вентиляционного штрека
t 1,4 смены
Радиус насыщения пород почвы
R_н= 5 м
В качестве рабочей жидкости используется вода. Длина участка скважин увлажнения определяется из выражения l_обс=2,5˙l_з=2,5˙4=10 м
Расстояние от угольного пласта до верхней границы разупрочняемого слоя составляет не менее 0,4l_з
0,4l_з=0,4˙4=1,6 м.

Давление рабочей жидкости при высоконапорном увлажнении пород с вентиляционного штрека
Р= σ_р+λ₁γH-ρH=8+0,8˙0,025˙800-0,01˙800=16 МПа,
а при увлажнении с конвейерного штрека:
Р= σ_р+λ₂˙γH+ρH= 8+ 0,3˙0,025˙800+ + 0,01˙800= 22 МПа.

Скорость фильтрации рабочей жидкости при высоконапорном увлажнении породы почвы
v где К_пт=5 мдарси, gradP== 16/500, γ=0,105˙10^-2 Па˙с К_н=е^0,002Н=е^0,002.800=4,9
|cos ϕ |=|cos(90^o+ 45^o)|= 0,71
Величина V=0,044 см/с свидетельствует о том, что в течение 3-4 суток при нагнетании рабочей жидкости по две-три смены ежесуточно длина пути ее фильтрации впереди очистного забоя составит более 90 м, т.е. более протяженности зоны опорного давления.

В натурных условиях на шахте "Воркутинская" ПО "Воркутауголь" при работе лавы 613-ю пласта Четвертого в процессе продвигания очистного забоя 5 мощность фильтрующей толщи Δl или разупрочняемого слоя m_рспород почвы 10 изменяли от 2˙l_з (8 м) до (0,2-0,3)˙l_з (0,8-1,2 м). Уменьшение мощности фильтрующей толщи Δl достигалось с помощью бурения более пологих скважин увлажнения 19. Результаты наблюдений представлены в графиках фиг.17. Так, при максимальной мощности фильтрующей толщи Δl=m_рс=8 м под влиянием высоконапорного увлажнения по длине очистного забоя 5 наблюдался мелкопластинчатый равномерный отжим угля с толщиной плиток до 0,05-0,07 м. При этом стреляние, толчки со стороны пород почвы 10, а также защемление пласта 15 между непосредственной кровле 48 и породами почвы 10 отсутствовали. При уменьшении мощности фильтрующей толщи до (0,2-0,3)˙l_з отжим угля увеличился, толщина угольных плиток достигала 0,3-0,4 м (кривая 53, фиг.7). Прочем во время эксперимента отжим проявлялся ежециклично по сравнению с базовой технологией, при которой он имел место лишь в периоды проявления вторичных осадок основной кровли 41. Базовая технология включала в себя бурения в угольный пласт 15 прогнозных скважин (условно не показаны) и гидрорыхление краевой части пласта 15.

Изменение характера отжима угля, как показан анализ результатов наблюдений, обусловлен образованием трещин гидросдвига 51 вблизи контакта 14 разупрочняемого слоя 9 с угольным пластом 15. На отдельных участках по длине очистного забоя 5 по этим трещинам происходил прорыв рабочей жидкости в очистной забой 5. При этом на указанных участках наблюдалось перемещение нижней части 52 угольного пласта 15 в сторону выработанного пространства 17 совместно с породами почвы 10, как результат раздвижки рабочей жидкостью инициирующих трещин 42 (фиг.18).

Интенсификация сдвижения в сторону выработанного пространства 17 пород почвы 19 и угольного пласта 15 обусловило перемещение зоны 7 максимума опорного давления в глубину массива с 4-5 до 8-9 м, что было установлено по выходу угольного штыба бурением прогнозных скважин (условно не показаны) из очистного забоя 5,
Ниже приводится сопоставление расстояний между забоем и максимумом опорного давления, полученных в натурных условиях по выходу штыба при базовой технологии, и расчетным путем с использованием предлагаемого способа.

Физический смысл разупрочнения пород почвы 10 с расположением верхней границы 14 разупрочняемого слоя 9 по контакту с угольным пластом 15 состоит в снижении прочности пород, подстилающих угольный пласт 15, до величины, сопоставимой с прочностью самого пласта 15. Это позволяет отнести мощность обработанных с помощью высоконапорного увлажнения пород 10 вблизи пласта 15 к его нижней части и учитывать ее мощность при расчетах.

Расстояние от забоя до пика опорного давления определяем по формуле И.М. Петухова, А.М.Линькова "Расчет границ защищенных зон" Л. ВНИМИ, 1969
X₁= (8) где Х_о половина длины очистного забоя, м (Х_о=50 м);
D (9) где m мощность пласта, равная в базовом случае m=1,5 м, а после высоконапорного увлажнения пород почвы 10 увеличившаяся, по крайней мере, на величину слоя упругого восстановления 13 0,4l_з или 1,6 м, т.е. 3,1 м. Расстояние от забоя до пика опорного давления перемещается в глубину массива с 5 до 8,45 м или на 60%
Предлагаемый способ позволяет обеспечить снижение концентрации напряжений в зоне максимума опорного давления и увеличить ширину защитной зоны за счет создания технологической мощности пород почвы, обеспечить эффективность предварительной дегазации разгружаемых нижних пластов-спутников и повысить нагрузку на очистной забой, расширить технологические возможности отработки одиночных удароопасных угольных пластов при наличии в породах почвы мощных монолитных песчаников и высокогазоносных пропластков-спутников, повысить эффективность и безопасность очистных работ.

Изобретение может быть использовано при разработке пологонаклонных угольных пластов. Впереди очистного забоя за зоной опорного давления вдоль вентиляционной выработки, граничащей с отработанным выемочным столбом, в породах почвы создают зону насыщения, а по ширине и протяженности зоны на границе с угольным пластом - разупрочняемый слой заданной мощности, для чего бурят скважины насыщения до границы распространения трещин давления, обсаживают их у верхней границы зоны насыщения. Разупрочняемый слой в породах почвы формируют высоконапорным увлажнением, которое выполняют после насыщения пород почвы угольного пласта. Скважины увлажнения бурят до нижней проектируемой границы разупрочняемого слоя согласно его заданной мощности. Границу цементации скважин увлажнения располагают от угольного пласта на расстоянии не менее мощности слоя упругого восстановления, а фильтрующую часть скважины выносят за границу зоны насыщения. Приведены формулы для расчета давления нагнетания рабочей жидкости, продолжительности насыщения пород и скорости фильтрации рабочей жидкости в породах почвы. 2 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. СПОСОБ БОРЬБЫ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ЯВЛЕНИЯМИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, включающий определение протяженности зоны опорного давления и ширины защитной зоны разрабатываемого пласта, бурение скважин впереди забоя за зоной опорного давления в горный массив со стороны отработанного выемочного столба, обсадку и цементацию скважин, определение мощности разупрочняемого слоя, содержащего слой пород почвы упругого восстановления, примыкающий к угольному пласту, определение параметров нагнетания жидкости в скважины, формирование разупрочняемого слоя пород на границе с угольным пластом, подсоединение скважин к высоконапорному ставу, отличающийся тем, что предварительно определяют пористость пород почвы, границы распространения трещин давления, созданных опорным давлением выше отработанного выемочного столба, относительно выработки, граничащей с этим выемочным столбом, и границы зоны насыщения пород почвы, а затем создают указанную зону насыщения путем бурения скважин насыщения из упомянутой выработки до границы распространения трещин давления с обсаживанием их у верхней границы зоны насыщения пород почвы, после чего производят насыщение пород почвы угольного пласта при давлении, определяемом по формуле
P_н= λ·γH ± ρH,
где P_н давление нагнетания рабочей жидкости, МПа;
λ коэффициент бокового распора пород почвы вблизи выемочной выработки;
g объемный вес пород, МН/м³;
H глубина разработки угольного пласта, м;
r плотность рабочей жидкости, МН/м³,
причем знак минус в формуле принимает при насыщении пород почвы из выработки, граничащей с вышеотработанным выемочным столбом, а знак плюс при насыщении пород из выработки, граничащей с неотработанным угольным массивом, при этом продолжительность насыщения пород почвы определяют по формуле

где t продолжительность насыщения пород почвы, смена;
m_эф эффективная пористость пористо-трещиноватой среды литологической разности,
R_н радиус насыщения пород почвы, м;
l_н ширина зоны насыщения вдоль скважины насыщения, равная l_ф + R_н, где l_ф фильтрующая часть скважины, м;
q объем рабочей жидкости, нагнетаемой в скважину ежесменно, м³,
а формирование разупрочняемого слоя пород почвы производят высоконапорным увлажнением по скважинам увлажнения, которое выполняют после насыщения пород почвы угольного пласта, при этом бурение скважин увлажнения производят до нижней проектируемой границы разупрочняемого слоя, мощность которого не менее ширины защитной зоны, обсадку и цементацию скважин увлажнения осуществляют у границы распространения трещин давления, причем границу цементации скважин увлажнения располагают от угольного пласта на расстоянии не менее мощности слоя упругого восстановления, а фильтрующую часть скважины увлажнения выносят за границу насыщения пород почвы, причем высоконапорное увлажнение начинают за зоной опорного давления, а заканчивают в зоне максимума опорного давления, высоконапорное увлажнение осуществляют при давлении
P_н= σ_p+λ·γH ± ρH,
где σ_p предел прочности пород почвы на разрыв, МПа,
а скорость фильтрации рабочей жидкости в породах почвы при выполнении высоконапорного увлажнения определяют по формуле

где K_пт коэффициент трещинной проницаемости пород, мдарси;
градиент давления в направлении фильтрации;
ΔP перепад давления, МПа;
Δl мощность фильтрующей толщи пород, см;
γ динамическая вязкость рабочей жидкости, Па · с;
K_н коэффициент влияния закрытости пор и трещин, зависящей от глубины разработки, т.е. K_н l^0,02H, где H глубина горных работ в интервале от 100 до 1000;
модуль косинуса угла формирования ϕ фильтрационного потока рабочей жидкости между направлением простирания основной системы трещин кливажа и скважиной увлажнения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение и высоконапорное увлажнение пород почвы осуществляют также и со стороны неотработанного угольного массива при наличии вдоль выемочных выработок геологического нарушения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины увлажнения бурят из выемочных выработок в породы почвы с возможностью образования угла формирования фильтрационного потока рабочей жидкости в интервале 100 - 170^o между направлением простирания основной или торцевой системы трещин кливажа и направлением скважин увлажнения.