МЕТОД РАЗРАБОТКИ БЛИЗКОГО К ЦЕЛЬНОПОРОДНОМУ ВЕРХНЕГО ЗАЩИТНОГО СЛОЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА Российский патент 2018 года по МПК E21C41/18 E21F7/00 G06F19/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методам разработки верхнего защитного слоя угольного пласта, в частности к методу разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя угольного пласта.

СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При разработке богатого газом угольного пласта, как правило, сначала осуществляется разгрузочный дренаж газа из защитного слоя, а затем ведется разработка защищенного слоя. Отвод газа от угольного пласта, т.е. защищенного слоя, эффективно ведется путем разработки верхнего защитного слоя, смещения перекрывающих пластов и дренажа газа из защищенного слоя через скважины. В настоящее время в связи с тем, что в верхнем защитном слое может и не быть защищенного слоя в виде пригодного для традиционной разработки угольного пласта, не существует метода точной разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя с высоким процентом отвала. Способ разработки защитного слоя – критический фактор, влияющий на качество добычи угля из близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя. Таким образом, установление толщины разработки в близком к цельнопородному верхнем защитном слое и промежутка между защитным и защищенным слоями с учетом процентного соотношения толщины разработки к толщине породы в близком к цельнопородному верхнем защитном слое позволяет выбрать для разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя подходящий способ из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием. Выбор правильного способа очень важен для безопасной разработки богатых газов угольных пластов.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача: Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить экономичный, безопасный и надежный способ разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя угольного пласта, решив тем самым существующую проблему в виде разработки низкопроницаемых угольных пластов, богатых газом, без постоянного защитного слоя.

Техническое решение: В предлагаемом методе разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на основе информации об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива рассчитывают толщину разработки защитного слоя М и толщину промежутка H между защитным и защищенным слоем методом количественного анализа так, чтобы коэффициент деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубина отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давление рудничного газа P соответствовали положениям Регламента по предотвращению и контролю выбросов угля и газа. Затем в соответствии с процентными данными о толщине почти цельнопородного защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием. Метод включает в себя следующие этапы:

(1) сбор данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и отбор проб породного массива;

(2) отбор стандартного образца от пробы породного массива и геомеханическое исследование физико-механических свойств образца породного массива;

(3) построение числовой модели разработки для близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на основе данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива с использованием программного приложения для конечно-элементного анализа FLAC^3D;

(4) моделирующий расчет и анализ изменений коэффициента деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубины отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давления рудничного газа P для двух вариантов: толщина промежутка H не меняется, а толщина разработки M изменяется и толщина разработки М остается неизменной, а толщина промежутка Н меняется;

(5) определение нужных значений толщины разработки защитного слоя М и промежутка Н между защитным и защищенным слоями на основе результатов моделирующего расчета;

(6) на основе процентных данных о толщине близкого к цельнопородному защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием.

Близкий к цельнопородному верхний защитный слой расположен над защищенным слоем, а процент отвала для него составляет до 80%, при этом толщина разработки защитного слоя составляет от 1,5 м до 3,0 м.

Полезный эффект: При использовании предложенного метода разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на практике требуется определить только толщину разработки верхнего защитного слоя и толщину промежутка между защитным слоем и защищенным слоем для выбора подходящего способа разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя в соответствии с процентными данными о толщине, которая приходится на породу. Этот метод является эталонным для разработки верхнего защитного слоя и подводит теоретическую основу для безопасной разработки низкопроницаемых угольных пластов, богатых газом, без постоянного защитного слоя. Настоящий метод экономичен, безопасен, эффективен и обладает широким спектром применения.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 схематично изображает функциональную схему метода разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя согласно настоящему изобретению.

Фигура 2 изображает расчетную числовую модель разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя согласно настоящему изобретению.

Фигура 3 изображает график изменений коэффициента деформации при расширении φ для защищенного слоя согласно настоящему изобретению.

Фигура 4 изображает график изменений глубины отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя согласно настоящему изобретению.

Фигура 5 изображает гистограмму изменений давления рудничного газа согласно настоящему изобретению.

Фигура 6 схематично изображает расположение однорядных взрывных скважин согласно настоящему изобретению.

Фигура 7 схематично изображает расположение двухрядных спиральных взрывных скважин согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приводится описание одного осуществления настоящего изобретения согласно нижеприведенным чертежам.

В предлагаемом методе разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на основе информации об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива рассчитывают толщину разработки защитного слоя М и толщину промежутка H между защитным и защищенным слоем методом количественного анализа так, чтобы коэффициент деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубина отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давление рудничного газа P соответствовали положениям Регламента по предотвращению и контролю выбросов угля и газа. Затем в соответствии с процентными данными о толщине почти цельнопородного защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием. Метод включает в себя следующие этапы:

(1) сбор данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и отбор проб породного массива;

(2) отбор стандартного образца от пробы породного массива и геомеханическое исследование физико-механических свойств образца породного массива;

(3) построение числовой модели разработки для близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на основе данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива с использованием программного приложения для конечно-элементного анализа FLAC^3D;

(4) моделирующий расчет и анализ изменений коэффициента деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубины отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давления рудничного газа P для двух вариантов: толщина промежутка H не меняется, а толщина разработки M изменяется и толщина разработки М остается неизменной, а толщина промежутка Н меняется;

(5) определение нужных значений толщины разработки защитного слоя М и промежутка Н между защитным и защищенным слоями на основе результатов моделирующего расчета;

(6) на основе процентных данных о толщине близкого к цельнопородному защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием.

Вариант осуществления 1

На примере угольного рудника показаны следующие этапы конкретного варианта осуществления:

(1) Выполнение инженерно-геологических изысканий на участке разработки защитного слоя угольного рудника, сбор данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и отбор проб породного массива.

(2) Отбор стандартного образца от пробы породного массива и геомеханическое исследование физико-механических свойств образца породного массива, как показано в Таблице 1.

(3) построение числовой модели разработки для близкого к цельнопородному верхного защитного слоя на основе данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива с использованием программного приложения для конечно-элементного анализа FLAC^3D, как показано на Фигуре 2.

Длина x ширина x высота модели – 300 м x 250 м x 100 м. Горизональное смещение ограничено окружением. Горизонтальное и перпендикулярное смещение ограничено нижним уровнем разработки. Определяющее соотношение рассчитано на основе модели Мора-Кулона.

(4) моделирующий расчет и анализ изменений коэффициента деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубины отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давления рудничного газа P для двух вариантов: толщина промежутка H не меняется, а толщина разработки M изменяется, и толщина разработки М остается неизменной, а толщина промежутка Н меняется. Конкретный моделирующий расчет показан в Таблице 2, а результаты моделирования – на фигурах 3, 4 и 5.

(5) Определение толщины разработки защитного слоя на основе данных моделирования и комплексного анализа существующих инженерно-геологических условий на руднике. Для данного осуществления толщина разработки защитного слоя составляет 2,0 м, а промежуток между защитным и защищенным слоями – 12 м.

(6) Исходя из установленной толщины разработки защитного слоя и промежутка между защитным и защищенным слоями, на основе процентных данных о толщине пласта породы в защитном слое выполнялось прямое дробление породы способом механизированной угледобычи при рабочей толщине пласта породы менее 0,6 м; традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования применяется при рабочей толщине пласта породы от 0,6 м до 0,8 м, а традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием используется при рабочей толщине пласта породы от 0,8 м. Расположение однорядных и двухрядных спиральных взрывных скважин показано на фигуре 6 и фигуре 7 соответственно.

Изобретение относится к методам разработки верхнего защитного слоя угольного пласта и предлагает метод разработки цельнопородного или близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя. На основе информации об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива рассчитывают толщину разработки защитного слоя М и толщину промежутка H между защитным и защищенным слоем методом количественного анализа так, чтобы коэффициент деформации при расширении φ для защищенного слоя, глубина отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давление рудничного газа P соответствовали положениям Регламента по предотвращению и контролю выбросов угля и газа. Затем в соответствии с процентными данными о толщине почти цельнопородного защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием. Этот метод подводит теоретическую основу для безопасной разработки низкопроницаемых угольных пластов, богатых газом, без постоянного защитного слоя и представляет собой усовершенствование методов разработки горных пород путем добавления защитного слоя. Настоящий метод экономичен, безопасен, эффективен и обладает широким спектром применения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

1. Метод разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя угольного пласта, согласно которому на основе информации об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива рассчитывают толщину разработки защитного слоя М и толщину промежутка Н между защитным и защищенным слоем методом количественного анализа так, чтобы коэффициент деформации при расширении ϕ для защищенного слоя, глубина отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давление рудничного газа Р соответствовали положениям Регламента по предотвращению и контролю выбросов угля и газа, а затем в соответствии с процентными данными о толщине почти цельнопородного защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием, включающий в себя следующие этапы:

(1) сбор данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и отбор проб породного массива;

(2) отбор стандартного образца от пробы породного массива и геомеханическое исследование физико-механических свойств образца породного массива;

(3) построение числовой модели разработки для близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя на основе данных об инженерно-геологических условиях забоя защитного слоя и физико-механических свойствах образца породного массива с использованием программного приложения для конечно-элементного анализа FLAC^3D;

(4) моделирующий расчет и анализ изменений коэффициента деформации при расширении ϕ для защищенного слоя, глубины отказа K в зоне пластической деформации защитного слоя и давления рудничного газа Р для двух вариантов: толщина промежутка Н не меняется, а толщина разработки М изменяется и толщина разработки М остается неизменной, а толщина промежутка Н меняется;

(5) определение нужных значений толщины разработки защитного слоя М и промежутка Н между защитным и защищенным слоями на основе результатов моделирующего расчета;

(6) на основе процентных данных о толщине близкого к цельнопородному защитного слоя, которая приходится на породу, выбирают способ разработки защитного слоя из следующих вариантов: традиционная механизированная угледобыча, традиционная механизированная угледобыча с однорядным взрыванием при условии предварительного щелеобразования и традиционная механизированная угледобыча с двухрядным взрыванием и спиральным щелеобразованием.

2. Метод разработки близкого к цельнопородному верхнего защитного слоя угольного пласта по п. 1, при котором близкий к цельнопородному верхний защитный слой расположен над защищенным слоем, а процент отвала для него составляет до 80%, при этом толщина разработки защитного слоя составляет от 1,5 м до 3,0 м.