СПОСОБ РАЗГРУЗКИ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ТРЕЩИН Российский патент 1997 года по МПК E21C41/18 F42D3/04 

Изобретение относится к горному делу, а именно к разработке пластовых месторождений угля, и может быть использовано для разгрузки от повышенного горного давления повторно сохраняемых выработок при бесцеликовых схемах подготовки выемочных участков, а также для разгрузки от опасной концентрации напряжений на пластах, склонных к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа.

Известен способ управления труднообрушаемой кровлей, включающий бурение вертикальных скважин в кровлю пласта из выработки впереди очистного забоя, образование в них круговых зародышевых трещин специальными механическими щеленарезаными устройствами, герметизацию скважин и нагнетание в скважины жидкости под высоким давлением до гидроразрыва пород кровли (авт.св. СССР N 825962, кл. E 21C 41/04, 1981 г.). При этом в вертикальных скважинах может создаваться несколько зародышевых щелей. Поочередно герметизацией их и нагнетанием жидкости под высоким давлением выделяют несколько слоев пород основной кровли, которые должны обрушаться в выработанном пространстве очистного забоя, что предотвращает проявление осадок основной кровли, однако применение этого способа не дает положительных результатов, поскольку известно, что вокруг любой выработки образуется зона разгрузки, сопровождаемая раскрытием трещин в кровле. По этой причине при нагнетании жидкость замыкается на эти трещины и выходит в выработку, что сопровождается ухудшением состояния кровли.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ управления кровлей при разборке угольных пластов (авт.св. СССР N 1216345, кл. E 21C 41/04, 1986 г.), включающий бурение скважин в зону концентрации растягивающих напряжений, расположенную над опорной у границы выемочного столба, создание зародышевых щелей механическими щеленарезными устройствами, герметизацию скважин и нагнетание в них жидкости в режиме гидроразрыва. Причем зародышевая щель образуется в плоскости, проходящей через режущую кромку опоры с наклоном 50-80^o к наслоению пород кровли. Место заложения щели определяется исходя из известного условия самоподбучивания.

На пластах с трубнообрушаемой кровлей высокой прочности 150-250 МПа наблюдается ее зависание на больших площадях в выработанном пространстве, что приводит к высокой концентрации напряжений по кромке угольного массива сохраняемой выработки, что инициирует интенсивное пучение почвы. Проявление осадок основной кровли вдоль поддерживаемой выработки приводит к полной деформации крепи и выработки. Поэтому при нарезке новой лавы выработка проходится заново в присечку к выработанному пространству, что требует значительных трудовых и материальных затрат.

Использование известного способа в этих условиях не может быть эффективным по следующим причинам:
образование начальных трещин (зародышевых щелей) в стенках скважин механическими устройствами (авт. св-ва N 1408067, 1408068, 1452976, 1458569) требует высокой трудоемкости по изготовлению этих устройств и прорезанию начальных трещин в крепких породах;
образование начальных трещин механическими устройствами ограничено по длине;
отсутствие обоснование места заложения начальных трещин и расстояние между скважинами с учетом шага осадки основной кровли. Приведенные формулы для их определения не учитывают структуру и строение крепких пород основной кровли и известных особенностей их разрушения;
не обоснованы необходимая длина начальных трещин в зависимости от мощности нагружающего нижнего слоя основной кровли и положение зоны повышенных растягивающих напряжений;
Известны конструкции кумулятивных зарядов, помещенных в специальные металлические корпуса однократного использования применяемые для перфорации стенок скважины (Справочник "Прострелочновзрывная аппаратура", М. "Недра", 1990, стр. 48-53). Такой корпусной перфоратор ПКО имеет глухой корпус в виде отрезка горячекатаной стальной трубы без механической обработки по наружным и внутренним поверхностям. Кумулятивные заряды ЗПКО в бумажных оболочках смонтированы на металлической ленте и укреплены в корпусе пружинными фиксаторами. При длине корпуса перфоратора 2720-2940 мм в нем одновременно размещается до 30 зарядов, сдвинутых друг от друга на 90^o или 180^o. Причем заряды располагаются перпендикулярно стенкам скважины.

В перфораторах однократного использования ПКО образующиеся при взрывании зарядов кумулятивные струи вначале пробивают отверстия в стенках корпуса, а потом уже в стенках скважины.

Перфораторы ПКО применяются только в нисходящих скважинах и спуск их в скважину производится на кабеле или на колонне насоснокомпрессорных труб.

Для образования начальных продольных трещин в наклонных восстающих разгрузочных скважинах данная конструкция кумулятивного корпусного перфоратора непригодна.

Наиболее близкой к кумулятивной является конструкция заряда для контурного взрывания направленного воздействия (Справочник взрывника, М."Недра", 1988, стр. 285-295), состоящая из цилиндрического корпуса, заполненного ВВ с выемкой в корпусе, протяженной по всей длине заряда параллельно продольной оси. В сечении заряда, перпендикулярном продольной оси, выемка имеет параболическую форму.

Диаметр заряда равен диаметру скважины. При детонации таких зарядов основная доля энергии продуктов детонации пассивной части ВВ направлено на стенки скважины, разрушая их и создавая систему дополнительных трещин по всей поверхности скважины, вредных при направленном гидроразрыве пород.

С целью повышения эффективности разгрузки выработок от повышенного горного давления и снятия опасной концентрации напряжений в боках выработки предлагается способ разгрузки приконтурного массива горных выработок, включающий бурение скважин в зону концентрации растягивающих напряжений в плоскости естественного обрушения, образование начальных трещин и нагнетание в них жидкости в режиме гидроразрыва пород основной кровли. Начальные трещины образуют путем размещения и взрывания в каждой скважине кумулятивного заряда ВВ, кумулятивную выемку которого ориентируют вдоль оси выработки. Длину начальной трещины определяют из условия

Длину скважины определяют из выражения

где расстояние от устья скважины до верхнего контура непосредственно кровли, м;
H_c мощность нижнего нагружающего слоя основной кровли, которая определяется на основе изучения строения пород кровли по местоположению и типу ослабления контактов путем кернового бурения, м;
θ угол возвышения скважины над пластом, град.

Расстояние между скважинами рассчитывают по формуле
a l_раз + 1/3L_о
где l_раз длина поверхности разрушения, м;
L_о шаг осадки основной кровли, м.

Кумулятивный заряд для образования начальной трещины составляется из отдельных зарядов для возможности создания начальной трещины различной длины в зависимости от конкретных условий строения пород основной кровли.

Заряд ВВ имеет кумулятивную выемку. При создании кумулятивной струи участвует только часть ВВ, непосредственно прилегающая к кумулятивной выемки, так называемая активная часть. Продукты детонации остальной пассивной части кумулятивного заряда разделяются в стороны и, как правило, оказывают вредное воздействие на стенки скважины. Чтобы уменьшить это воздействие, заряд ВВ помещается в корпус, заполненный демпфирующей забойкой, воспринимающей при детонации ВВ часть энергии и уменьшающей развитие вредных трещин на стенках скважины.

На фиг. 1 показана схема расположения скважин в массиве; на фиг. 2 - скважины в массиве пород кровли (поперечный разрез) с кумулятивным зарядом; на фиг. 3 положение перед нагнетанием жидкости после образования начальной трещины взрыванием кумулятивного разряда; на фиг.4 расположение зон разрушения, образованных гидроразрывом; на фиг. 5 -конструкция продольного кумулятивного заряда и на фиг.6 поперечный разрез этого заряда.

Способ осуществляют следующим образом. Впереди очистного забоя 1 вне зоны опорного давления из охраняемой выработки 2 в сторону подготовленного угольного массива, отрабатываемого очистным забоем 1, пробуривают скважины 3 под углом q на определенном расстоянии друг от друга.

В скважину 3 досылают специальный продольный кумулятивный заряд 4 (фиг. 2) составными досыльниками 5.

После взрывания кумулятивного заряда 4 и образования начальной трещины 6 (фиг. 3) в скважину 3 вводят герметизатор 7 и через гибкий шланг 8 от насоса 9 нагнетают жидкость под высоким давлением. Выше герметизатора 7 образуется камера высокого давления 10, в верхней части которой расположена начальная трещина 6. По ней происходит гидроразрыв пород и образуется поверхность разрушения 11 (фиг. 4). Таким образом, в нижнем нагружающем слое 12 основной кровли модностью H_c образуются поверхности разрушения, являющиеся крупными макродефектами, ослабляющие поперечное сечение слоя в плоскости его изгиба в сторону выработанного пространства, что обеспечивает его обрушение непосредственно за очистным забоем 1 в выработанном пространстве.

Эффективность применения данного способа разгрузки приконтурного массива выработок с целью сохранения их для поворотного использования зависит от правильности выбранных параметров расположения скважин 3, определяющих разрушение нижнего нагружающего слоя 12 основной кровли в выработанном пространстве позади очистного забоя 1.

К этим параметрам относится (фиг. 4) длина l_нт начальной трещины 6, расстояние l_к от забоя скважины до плоскости ослабленного контакта 13, длина l_раз поверхности разрушения 11 образованной гидроразрывом пород по длине начальной трещины 6 и расстояние a между скважинами 3.

Для предотвращения замыкания жидкости при ее нагнетании на плоскости ослабленного контакта 13 забой скважины 3 располагают на расстоянии от него, равном приблизительно двум длинам начальной трещины 6. т.е.

L_к ≈ 2l_нт
Длина d_нт начальной трещины 6 определяет параметры развиваемой поверхности разрушения 11, имеет определяющее значение в инициировании разрушения нижнего нагружающего слоя 12 основной кровли непосредственно позади очистного забоя 1, которые необходимо образовывать в зоне повышенных растягивающих напряжений при изгибе слоя 12.

Из курса сопротивления материалов известно, что эта зона расположена выше нейтральной оси изгибаемой балки, и величины растягивающих напряжений увеличиваются от нуля на нейтральной оси до максимальных значений на верхнем контуре балки. Это положение можно с достаточной точностью отнести к изгибу нижнего слоя 12 основной кровли. Поэтому примыкающая к нейтральной оси зона растягивающих напряжений имеет невысокие значения и образовывать в ней начальные трещины 6 нецелесообразно. В связи с этим их необходимо образовывать в верхней части зоны растягивающих напряжений, где значения их будут повышенными и смогут обеспечить ускоренное развитие процесса разрушения. Для этой цели высота зоны растягивающих напряжений делится на две примерно равные части по линии 14. На данной линии 14 располагается нижний контур начальной трещины, а, следовательно, и нижний торец активной части заряда ВВ, что соответствует 0,75 мощности нижнего слоя 12 основной кровли, т.е. 0,75 (фиг. 4).

Исходя из вышеизложнных соображений и учитывая то, что положение верхнего контура начальной трещины, соответствующего положению верхнего торца кумулятивного заряда, должно располагаться на расстоянии, приблизительно равном двукратной ее длине от плоскости ослабленного контакта 13, необходимая длина начальной трещины 6 будет определяться из выражения

где
Q угол возвышения скважины над пластом, град.

С учетом наличия непосредственной кровли (n_н.к.) и в частности той ее части, которая перебуривается скважиной , необходимая длина пробуриваемой скважины определяется по формуле

Другим фактором, имеющим важное значение в обеспечении разрушения нижнего слоя 12 основной кровли позади очистного забоя, является выбор рационального расстояния a между скважинами. Это расстояние определяется длиной l_раз поверхности разрушения (фиг. 4) и величиной шага L_о осадки основной кровли вдоль выработки 2 (на чертеже шаг осадки полностью не показан).

Длина l_раз поверхности разрушения 11 зависит от прочностных свойств пород кровли, глубины разработки угольного пласта и определяется один раз перед началом отработки выемочного участка путем бурения контрольных скважин на различных расстояниях от скважины 3 (на чертеже не показаны).

Необходимо также учитывать при определении расстояния между скважинами особенности проявления шага осадки L_о основной кровли по длине выработки. Общеизвестно, что на первой трети предельного пролета или шага осадки L_о не наблюдается пучения почвы, повышенного давления на крепь и только в дальнейшем по мере продвигания очистного забоя, а, следовательно, и увеличения предельного пролета начинается интенсивное пучение почвы, усиленное давление на крепь. Осадки основной кровли уже проявляются теперь по всей длине предельного пролета, захватывая и первую его треть, и обычно сопровождается полной деформацией крепи и выработки.

Учитывая эти особенности проявления горного давления по длине выработки, расстояние между скважинами определится из выражения a l_раз + 1/3L_о (4)
где l_раз длина поверхности разрушения, м;
L_о шаг осадки основной кровли вдоль выработки, м.

Кумулятивный заряд ВВ для образования начальных трещин (фиг.5 и 6) в стенках скважины содержит заряд ВВ 15, состоящий из нескольких полиэтиленовых трубок с кумулятивной выемкой 16, соединенных между собой муфтами 17. Заряд ВВ 15 помещен в корпус 18, изготовленный из пластмассы или резистосолевой трубы и имеющий продольную прорезь 19 под кумулятивную выемку 16, предназначенную для острой направленности взрыва заряда ВВ. Корпус 18 имеет верхнюю 20 и нижнюю 21 крышки, прикрепляемые к нему шплинтами 28. Прижатие заряда ВВ 15 к прорези 19 корпуса 18 производится, например, распорной планкой 22, расположенной в средней части корпуса 18. Сверху и снизу заряда ВВ 15 свободного укладываются разделительные крышки 23 по всему диаметру корпуса 18 между верхней 20 и нижней 21 крышками, которые образуют отделения для укладки демпфирующей забойки 24. Аналогичная забойка укладывается в корпус 18 вокруг заряда ВВ 15. В качестве демпфирующей забойки 24 может использоваться пластичный забоечный материал (ПЗМ).

Эта демпфирующая забойка 24 служит для предохранения стенок скважины от воздействия ударной волны.

Внутри одной полиэтиленовой трубки с зарядом ВВ 15 при его сборке размещаются электродетонаторы 25 для инициирования заряда ВВ. Магистральный провод 26 выводится через трубку 27, впрессованную в нижнюю крышку 21 и служащую также для крепления досылочных штанг.

Сборка заряда ВВ 15 из отрезков полиэтиленовых трубок позволяет составить заряд любой длины в соответствии с расчетной длиной l_нт начальной трещины.

Данный способ разгрузки приконтурного массива горных выработок с использованием кумулятивного заряда ВВ для образования начальных трещин позволяет уменьшить пучение почвы ≈ в 2,5 раза, снизить смещения кровли на 35 40% Давление на крепь снижается. Деформация крепи не наблюдается. Выработка на экспериментальном участке находится в удовлетворительном состоянии. На участке, где не производилась разгрузка, выработка полностью деформирована на расстоянии 20 25 м за очистным забоем.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пластовых месторождений угля для разгрузки выработок от опасной концентрации напряжений на пластах, склонах к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа. Для повышения эффективности разгрузки выработок и снятия опасной концентрации напряжений предлагается способ направленного гидроразрыва и параметры заложения разгрузочных скважин, длина и местоположение начальной трещины, необходимая длина скважины, расстояние между скважинами в зависимости от структуры и строения пород основной кровли. Начальная трещина образуется взрыванием специального кумулятивного заряда, ориентированного вдоль выработки, который состоит из корпуса с продольной прорезью под кумулятивную выемку зарядов ВВ, размещенного внутри корпуса. Между верхними и нижними крышками корпуса и разделительными крышками, а также между зарядами и станками корпуса размещается демпфирующая забойка. После взрывания кумулятивного заряда производится нагнетание жидкости в режиме гидроразрыва и развитие поверхности разрушения в заданных пределах. 5 з.п.ф-лы,6 ил.

1. Способ разгрузки приконтурного массива горных выработок, включающий бурение скважин в зону концентрации растягивающих напряжений в плоскости естественного обрушения, образование начальных трещин, герметизацию скважин и нагнетание в них жидкости в режиме гидроразрыва пород основной кровли, отличающийся тем, что начальные трещины образуют путем размещения и взрывания в каждой скважине кумулятивного заряда взрывчатого вещества, кумулятивную выемку которого ориентируют вдоль оси выработки, длину l_р.т начальной трещины определяют из условия

где q угол возвышения скважины над пластом, град;
H_c мощность нижнего нагружающего слоя основной кровли,
скважины пробуривают на глубину L_ск, определяемую из выражения

где h'_н.к расстояние от устья скважины до верхнего контура непосредственной кровли, м;
расстояние между скважинами рассчитывают по формуле
a l_раз + 1/3 L_о,
где l_раз -длина поверхности разрушения, м;
L_o шаг осадки основной кровли, м. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длину кумулятивного разряда взрывчатого вещества выбирают равной длине начальной трещины. 3. Кумулятивный заряд взрывчатого вещества (ВВ) для образования начальных трещин, содержащий цилиндрический корпус с продольной прорезью и с зафиксированными в нем зарядом ВВ и средствами инициирования, отличающийся тем, что корпус снабжен закрепленными на нем верхней и нижней крышками, а также двумя разделительными крышками, установленными в торцовых плоскостях заряда на расстоянии от верхней и нижней крышек с образованием в корпусе соответствующих полостей между ними, продольная прорезь выполнена в корпусе между разделительными крышками, а заряд ВВ снабжен кумулятивной крышкой по длине продольной прорези и прижат к последней с помощью распорного устройства, причем полости в корпусе, образованные между верхней, нижней и распорными крышками, заполнены демпфирующей забойкой. 4. Заряд по п.3, отличающийся тем, что заряд ВВ выполнен переменным по длине и составлен по меньшей мере из двух полиэтиленовых трубок с ВВ, соединенных между собой муфтами. 5. Заряд по п.3, отличающийся тем, что распорное устройство выполнено в виде распорной планки, установленной посередине заряда ВВ. 6. Заряд по п.3, отличающийся тем, что в качестве демпфирующей забойки использован пластичный забойный материал.