СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ Российский патент 2013 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, например, для изоляции горных выработок при разработке месторождений высоковязких нефтей и природных битумов термошахтным способом.

Известен способ изоляции горной выработки за счет возведения двойных перемычек, с наполнением межперемычного пространства изолирующим материалом (см. а.с. СССР 1247558, МКИ: E21F 5/00, 1/14, опубл. 30.07.86).

Также известен способ изоляции горной выработки путем установки перед действующей горной выработкой изолирующей перемычки, заглубленной в горные породы (см. Горную энциклопедию. - М.: Советская энциклопедия, 1984. - С.356).

Однако данные способы не могут быть использованы, например, при изоляции отработанных горных выработок, в которых осуществлялась термошахтная добыча высоковязкой нефти путем закачки пара в пласт, так как через систему трещин в массиве пород вокруг изолирующей перемычки прорываются пар и углеводородные газы, ухудшая атмосферу в действующей горной выработке.

Также известен способ изоляции горной выработки, принятый авторами за прототип, включающий установку в выработке двух перемычек и подачу в межперемычное пространство газовой среды в виде воздуха и рабочего агента в виде твердеющей пены. Способ предусматривает перед подачей в межперемычное пространство твердеющей пены нагнетание в пространство между перемычками воздуха рассредоточенными струями и поддержание в межперемычном пространстве избыточного давления до полного заполнения межперемычного пространства твердеющей пеной. Таким образом, изоляцию отработанной горной выработки осуществляют за счет создания пенопластовой перемычки, образованной в горной выработке за счет отверждения пены с частичным заполнением твердеющей пеной трещин, контактирующих с межперемычным пространством на момент подачи твердеющей пены (см. а.с. СССР 1320452, МКИ: E21F 5/00, опубл. 30.06.87).

Однако данный способ недостаточно эффективен при изоляции отработанных горных выработок, например в которых осуществлялась термошахтная добыча высоковязкой нефти путем закачки пара в пласт, а именно:

1. Невозможность тампонирования трещин в окружающем горную выработку массиве пород, напрямую не связанных с межперемычным пространством, но связанных с отработанной горной выработкой и действующей горной выработкой.

2. Низкая проникающая способность пенного раствора пенопласта в глубокие трещины и микротрещины из-за его высокой вязкости и быстроты схватывания (1-1,5 мин).

3. Невозможность герметизации трещин, появляющихся после возведения перемычки вследствие действия горного давления.

Таким образом, так как в отработанных горных выработках длительное время сохраняется высокая температура (температура остывания отработанного массива 1°C в год) и избыточное давление, а ненадежная изоляция трещин в окружающем массиве пород приводит к прорывам оставшегося пара и углеводородных газов в действующую выработку, то в последней нарушаются санитарно-гигиенические нормы и требуются большие затраты средств для нормализации теплового режима в горных выработках с работающим персоналом.

Задачей изобретения является повышение надежности изоляции горной выработки путем герметизации трещин окружающих пород независимо от их расположения и времени происхождения.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе изоляции горной выработки устанавливают в изолируемой выработке воздухонепроницаемые перемычки, осуществляют подачу газовой среды в межперемычное пространство с созданием в нем избыточного давления, равного или выше давления в изолируемой горной выработке и закачивают в межперемычное пространство рабочий агент.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- определяют глубину зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку;

- создают в месте изоляции перед установкой перемычек совокупность шпуров длиной не менее глубины зоны деформации пород, располагая их в виде веера, с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки;

- закачивают в шпуры крайних вееров рабочий агент до потери его приемистости;

- устанавливают в выработке перемычки в интервале шпуров крайних вееров;

- поддерживают избыточное давление газовой среды в межперемычном пространстве в течение всего периода изоляции выработки;

- используют в качестве рабочего агента жидкость с регулируемыми по времени свойствами вспениваться и отвердевать, например полиуретановую смолу «Беведол-Беведан»;

- используют в качестве газовой среды, например, воздух или азот.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет создать надежный изоляционный экран на пути движения углеводородных газов и пара из отработанной горной выработки, ранее эксплуатирующейся путем закачки пара в пласт при термошахтной добыче высоковязкой нефти.

Образование в породах, окружающих изолируемую горную выработку, совокупности шпуров длиной не менее глубины зоны деформации пород и расположение их в виде веера, с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки, позволяет создать гидравлическую связь между большей частью существующих трещин. Закачка в шпуры крайних вееров жидкого рабочего агента до потери его приемистости, с контролируемой текучестью до вспучивания и твердения, обеспечивает герметизацию шпуров и контактирующих с ними трещин. Образование промежуточного веера шпуров обеспечивает создание гидравлической связи между промежуточными трещинами, в том числе не связанными с межперемычным пространством. Поддержание избыточного давления газовой среды в межперемычном пространстве равным или выше давления в изолируемой горной выработке в течение всего периода изоляции выработки обеспечивает создание условий для перекрытия потоков пара и улеводородных газов путем создания барьера по всем оставшимся трещинам, в том числе и вновь образуемым трещинам во время разработки месторождения.

Таким образом, предложенная совокупность признаков обеспечивает надежную изоляцию горной выработки путем герметизации трещин окружающих пород независимо от их расположения и времени происхождения.

Заявленная совокупность существенных признаков не известна нам из уровня техники, поэтому заявленное изобретение является новым. Заявленные отличительные признаки изобретения являются неочевидными для среднего специалиста в данной области. В связи с этим мы считаем, что заявленное изобретение имеет изобретательный уровень. Изобретение промышленно применимо, т.к. имеющееся оборудование и технология, разработанная нами, позволяют реализовать способ в полном объеме.

На фиг.1 изображена схема сопряжения действующей и изолируемой горных выработок с указанием размещения шпуров в месте изоляции и варианта подачи рабочего агента в шпур, в разрезе; на фиг.2 изображено сечение места изоляции горной выработки в поперечном разрезе 1-1 фиг.1; на фиг.3 изображена схема сопряжения действующей и изолируемой горных выработок с указанием размещения шпуров, перемычек, образующих межперемычное пространство, и схемы обвязки межперемычного пространства с вариантом подачи газовой среды, в разрезе; на фиг.4 изображено сечение места изоляции горной выработки с указанием размещения шпуров, перемычки в поперечном разрезе 1-1 фиг.3.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Выбирают место изоляции отработанной горной выработки. Согласно правилам техники безопасности изолирующее перекрытие сооружают на расстоянии не более 2-х метров от сопряжения с действующей горной выработкой. По свойствам пород, окружающим изолируемую отработанную горную выработку 1, определяют глубину зоны деформации пород по формуле

$$L=\mathrm{0,75}Кт\frac{Q}{f}$$ , где

Кт - коэффициент учета трещиноватости скальных пород;

Q - пролет выработки, м (ширина выработки);

f - коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова (см. «Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок», ВНИИ транспортного строительства, М, 1984).

На расстоянии 2-х метров от сопряжения с действующей горной выработкой 2 по контору боков и кровли перпендикулярно оси выработки 1 бурят шпуры 3 длиной не менее глубины зоны деформации пород, окружающих изолируемую выработку 1. Шпуры располагают в виде веера с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки приблизительно в вертикальной плоскости. Максимальное расстояние между крайними шпурами задают не менее глубины зоны деформации пород, окружающих изолируемую выработку 1. Расстояние между веерами шпуров, шпурами в веере и количество вееров определяют исходя из свойств горных пород изолируемой отработанной выработки и их деформации.

Шпуры крайних вееров оборудуют под нагнетание рабочего агента. Для этого устанавливают насос 4 с пневматическим приводом, например СТ-GX5 (DP 35), от которого с помощью шланга 5 подают в шпур рабочий агент до потери его приемистости. Возможна подача рабочего агента одновременно в несколько шпуров. В качестве рабочего агента используют жидкость, проникающую в трещины 6, вскрытые шпурами с регулируемыми по времени свойствами вспениваться и отвердевать, например полиуретановую смолу «Беведол-Беведан».

Таким образом, в горном массиве вокруг изолируемой выработки 1 перпендикулярно ее оси создают два низкопроницаемых барьера 7, при этом дополнительно происходит укрепление разрушений в массиве пород, возникших при проходке выработки. Далее в горной выработке 1 устанавливают в интервале шпуров крайних вееров две воздухонепроницаемые перемычки 8 (см. фиг.3). Перемычки могут быть выполнены, например, из кирпича или досок, обтянутых воздухонепроницаемой тканью. Возможны другие варианты изготовления воздухонепроницаемых перемычек. Перемычки снабжают гидрозатвором 9, U-образной трубкой (манометром) 10 с выводом концов трубки в закрытое пространство горной выработки 1 и межперемычное пространство 11, трубой 12 с запорным устройством (позицией на схеме не показано) со стороны действующей горной выработки для контроля за составом рудничной атмосферы в закрытом пространстве горной выработки 1, а также трубу 13 с запорным устройством 14 для подачи сжатой газовой среды, например воздуха, в межперемычное пространство. Трубу 13 подключают к источнику сжатого воздуха, расположенного в действующей горной выработке (позицией на схеме не показано) через запорное устройство 14, дополнительно выполняющее роль регулятора воздуха. Подают сжатый воздух в межперемычное пространство 11 с расходом, поддерживающим давление равным или выше давления закрытого пространства изолируемой выработки 1. Сжатый воздух через шпуры 3 среднего ряда заходит во все мелкие трещины массива пород, окружающих изолируемую горную выработку на всю глубину зоны разрушения, создавая барьер на пути миграции пара или углеводородных газов из закрытого пространства выработки 1 в действующую горную выработку 2. Разность давлений контролируют по манометру 10 и регулируют запорным устройством 14.

Рассмотрим пример конкретного осуществления. Заявленный способ может быть реализован, например, на Ярегском месторождении высоковязкой нефти. Продуктивный пласт залегает на глубине 200 м и содержит нефть вязкостью до 15 тыс. Па·с. Коллектор сложен в основном средне- и мелкозернистым кварцевым слабо сцементированным песчаником, имеющим слоистую структуру. Надпластовые аргиллиты (породы покрышки) представляют собой горизонтально-слоистые глинистые отложения зеленовато-серой и зеленовато-бурой (пятнистой) окраски, часто с прослоями и линзами песчаного материала. Вышезалегающая туфобазальтовая (туфодиабазовая) толща или («туфоидные слои») сложена различными туффитами с подчиненными прослоями туфобрекчий, туфопесчаников и туфоидных глин.

Месторождение разрабатывают термошахтным способом. Технология предусматривает отработку залежи участками площадью 100-200 тыс. м². Для нагнетания пара в пласт используют горные выработки, пройденные в надпластовом горизонте. Из данных выработок бурят скважины для нагнетания пара в нефтяной пласт. Добычу нефти ведут из горных выработок, пройденных непосредственно в нефтяном пласте. Из данных выработок так же бурят скважины, выполняющие роль дренажной системы. После отработки участка до запланированного коэффициента нефтеотдачи закачку пара и добычу нефти прекращают, горные выработки этого участка изолируют от общешахтной вентиляционной сети.

Способ осуществляют следующим образом.

Выбирают место изоляции отработанной горной выработки не далее двух метров от сопряжения с действующей выработкой по правилам техники безопасности. Далее по свойствам пород, окружающих предназначенную для закрытия горную выработку 1, и параметрам этой выработки определяют глубину разрушения массива по контуру выработки - глубину зоны деформации пород по формуле

$$L=\mathrm{0,75}Кт\frac{Q}{f}$$ , где

Кт - коэффициент учета трещиноватости скальных пород;

Q - пролет выработки, м (ширина выработки);

f - коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова (Параметры Кт и f выбирают исходя из свойств пород по табличным данным, см., например, «Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок», ВНИИ транспортного строительства, М, 1984).

Для пород Ярегского месторождения коэффициент учета трещиноватости принимаем равным 3,0. Средняя ширина выработки в проходке 3,0 м; коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова - 4,0.

$$L=\mathrm{0,75}\cdot \mathrm{3,0}\cdot \frac{\mathrm{3,0}}{\mathrm{4,0}}=\mathrm{1,68}м$$

Далее в месте изоляции отработанной горной выработки 1 по контуру боков и кровли перпендикулярно оси выработки бурят шпуры 3 глубиной не менее 1,68 м и диаметром примерно 40 мм, располагая их веерами. Для данного примера рассматриваем сооружение трех вееров. Исходя из средней длины трещин для данного вида пород, принимаем расстояние между веерами -1 метр. Расстояние между концами шпуров в каждом веере также принимаем равным 1 м.

Шпуры крайних вееров оборудуют под нагнетание рабочего агента. Для этого устанавливают насос 4 с пневматическим приводом и рабочим давлением до 19,0 МПа, например CT-GX5 (DP 35), от которого с помощью шланга 5 подают рабочий агент в каждый шпур до потери его приемистости. В качестве рабочего агента используют жидкость с регулируемыми по времени свойствами вспениваться и отвердевать. В данном примере используют полиуретановую смолу «Беведол-Беведан». Рабочий агент закачивают в шпуры 3 в виде жидкости, которая обладает способностью проникать в трещины 6, вскрытые шпурами и, по истечении расчетного времени, в данном примере - 1 минуты вспениваться и отвердевать. При этом происходит закупорка наиболее раскрытых трещин в зоне нарушения. Таким образом, в горном массиве вокруг изолируемой выработки 1 перпендикулярно ее оси, создают два низкопроницаемых барьера 7, удаленных друг от друга примерно на 2 метра, при этом дополнительно происходит укрепление разрушений в массиве пород, возникших при проходке выработки.

Далее в горной выработке 1 устанавливают в интервале шпуров крайних вееров две воздухонепроницаемые перемычки 8, например, из кирпича (см. фиг.3).

Перемычки снабжают гидрозатвором 9 для обеспечения выхода жидкости из закрытого пространства, U-образной трубкой (манометром) 10 с выводом концов трубки в изолируемое пространство горной выработки 1 и межперемычное пространство 11 для контроля за избыточным давлением, трубой 12 с запорным устройством (позицией на схеме не показано) со стороны действующей горной выработки для контроля за составом рудничной атмосферы в закрытом пространстве горной выработки 1, а также трубой 13 с запорным устройством 14 для подачи сжатой газовой среды, например, воздуха в межперемычное пространство. Трубу 13 подключают источнику сжатого воздуха, расположенного в действующей горной выработке (позицией на схеме не показано) через запорное устройство 14, дополнительно выполняющее роль регулятора воздуха.

Подают сжатый воздух в межперемычное пространство 11 с расходом, поддерживающим давление равное или выше, чем в изолируемом пространстве выработки 1. Сжатый воздух через шпуры 3 среднего ряда заходит во все мелкие трещины массива пород, окружающих изолируемую горную выработку на всю глубину зоны разрушения, создавая барьер, котрый надежно препятствует миграции пара или углеводородных газов из закрытого пространства выработки 1 в действующую выработку. Разность давлений контролируют по манометру 10 и регулируют запорным устройством 14.

Таким образом, предложенный способ выработки обеспечивает надежную изоляцию горной выработки путем герметизации трещин окружающих пород независимо от их расположения и времени происхождения.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, например, для изоляции горных выработок при разработке месторождений высоковязкой нефти и природных битумов термошахтным способом. Техническим результатом является повышение надежности изоляции горной выработки путем герметизации трещин окружающих пород независимо от их расположения и времени происхождения. Способ изоляции горной выработки предусматривает предварительное определение глубины зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку. Затем перед установкой перемычек создают в месте изоляции совокупность шпуров длиной не менее глубины зоны деформации пород. Шпуры располагают в виде веера с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки. Закачивают в шпуры крайних вееров рабочий агент до потери его приемистости. Затем устанавливают воздухонепроницаемые перемычки в интервале шпуров крайних вееров и закачивают в межперемычное пространство газовую среду, поддерживая давление газовой среды в межперемычном пространстве равным или выше давления в изолируемой горной выработке в течение всего периода изоляции выработки. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 4 ил.

1. Способ изоляции горной выработки, включающий установку в изолируемой выработке воздухонепроницаемых перемычек, подачу газовой среды в межперемычное пространство с созданием в нем избыточного давления, равного или выше давления в изолируемой горной выработке, и закачку в межперемычное пространство рабочего агента, отличающийся тем, что определяют глубину зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку, и перед установкой перемычек создают в месте изоляции совокупность шпуров длиной не менее глубины зоны деформации пород, располагая их в виде веера, с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки, закачивают в шпуры крайних вееров рабочий агент до потери его приемистости, затем устанавливают перемычки в интервале шпуров крайних вееров и поддерживают избыточное давление газовой среды в межперемычном пространстве в течение всего периода изоляции выработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента используют жидкость с регулируемыми по времени свойствами вспениваться и отвердевать, например полиуретановую смолу «Беведол-Беведан».

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газовой среды используют, например, воздух или азот.