Способ изолирования горной выработки от породного массива Российский патент 2023 года по МПК E21F7/00 E21C37/12 

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при дегазации угольных пластов в шахтных условиях для снижения подсосов воздуха из горных выработок в дегазационные скважины, повышения эффективности извлечения и использования угольного метана, а также при эксплуатации подземных сооружений, тоннелей для повышения эффективности их гидроизоляции, защиты от поступления пластовых вод.

Защита горной выработки, тоннеля от поступления пластовых вод является важным элементом безопасной эксплуатации подземных сооружений. Изоляция горной выработки от зоны дренирования угольного пласта дегазационной скважиной является важным элементом дегазации угольных пластов и служит для предотвращения фильтрации воздуха в дегазационную скважину через породный массив. Повышение концентрации воздуха в извлекаемой скважиной газовой смеси снижает эффективность дегазации угольного пласта и затрудняет промышленное использование угольного метана.

Для уменьшения подсосов воздуха в дегазационные скважины используют различные способы изоляции горных выработок, в том числе создание в породном массиве непроницаемых экранов, заполненных жидкими или твердеющими изоляционными составами, например эластичными полимерами.

Известен способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ № 2108464 (МПК E21F 7/00, опубл. 10.04.1998, бюл. 31), включающий обсадку участка скважины и установку герметизатора, отличающийся тем, что перед обсадкой на участке скважины между устьем и местом установки герметизатора производят поинтервальный ориентированный гидроразрыв, а полученные трещины заполняют твердеющим составом, например, водными растворами гелеобразующих составов, и создают в окружающем массиве воздухонепроницаемые экраны, после чего производят обсадку скважины и устанавливают герметизатор. Использование известного способа в объеме приведенных признаков позволяет снизить подсосы воздуха и повысить содержание метана в извлекаемой из породного массива газовой смеси.

Недостатком известного способа по патенту РФ № 2108464 является возможность частичного нарушения сплошности воздухонепроницаемого экрана после отвердевания изоляционного состава, например под действием техногенных или природных деформационных процессов в окружающем породном массиве, что приводит к нарушению герметизации дегазационной скважины.

Кроме того, в известном способе по патенту № 2108464 непроницаемые экраны создают путем проведения гидроразрывов на участке дегазационной скважины между герметизатором и ее устьем, что ограничивает область размещения экранов в породном массива. При этом в интервалах пересечения горной выработки естественными и искусственными нарушениями породного массива, например трещиноватыми зонами, фильтрация воздуха из горной выработки в зону дренирования угольного пласта дегазационной скважиной может проходить через всю поверхность выработки в интервале пересечения, включая ее кровлю, подошву, в том числе в обход локальной области породного массива, содержащей созданные воздухонепроницаемые экраны, что приводит к нарушению герметизации дегазационной скважины.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ №2641555 (МПК Е21F 7/00, Е21В 33/10, опубл. 22.03.2018 г., бюл. 9), включающий выполнение ориентированного гидроразрыва горных пород, создание в окружающем массиве воздухонепроницаемых экранов, например из вспомогательных скважин, пробуренных параллельно дегазационной скважине, создание слоя горных пород, препятствующего фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины, между двумя параллельно расположенными воздухонепроницаемыми экранами за счёт пропитывания горных пород жидкостью с пластовым давлением выше давления воздуха в горной выработке.

Из описания патента РФ № 2641555 следует, что вспомогательные скважины бурят на глубину 4–8 м на расстоянии 0.5-1 м от герметизируемой дегазационной скважины, а гидроразрывы проводят поперек вспомогательных скважин на расстоянии не более 0.2 м от их забоев с закачкой рабочей жидкости в объеме 8/π^1/2*K_IC*(1-v²)/E*R^5/2, где R – радиус создаваемого противофильтрационного экрана равный 5-10 м, K_IC – критический коэффициент интенсивности напряжений, Па*м^1/2, v – коэффициент Пуассона, E – модуль упругости породы, Па. Таким образом, наиболее близкий к горной выработке противофильтрационный экран создают на удалении (L) не менее 3.8 м от ее поверхности, что в полтора раза превышает половину среднего диаметра (D) поперечного сечения горных выработок, из которых бурят дегазационные скважины на угледобывающих шахтах. На таком удалении разгрузка породного массива выработкой незначительно влияет на форму и объем создаваемой трещины гидроразрыва, что позволяет использовать приведенную в описании патента РФ № 2641555 формулу для расчета необходимого объема рабочей жидкости для получения дисковой трещины заданного радиуса.

Противофильтрационные экраны по патенту РФ № 2641555 перекрывают подсосы воздуха через прилегающий к дегазационной скважине слой пород, нарушенных процессом ее бурения, но в местах пересечения горной выработки естественными и искусственными нарушениями породного массива, например трещиноватыми зонами, фильтрация воздуха может проходить по нарушениям породного массива в обход экранов. Схема путей фильтрации воздуха в дегазационную скважину при наличии и в отсутствии противофильтрационного экрана, созданного способом по патенту РФ № 2641555, поясняется фиг. 1. Наличие экрана 6 удлиняет путь фильтрации воздуха по нарушениями породного массива 1 примерно в Ф1/Ф2 раза, где Ф1≈[(R-D/2)²+(L+D/2)²]^1/2+R, Ф2=L - максимально в 4.8 раза при значениях параметров R=10 м, L=3.8 м, D=5 м. Поскольку разница давлений воздуха в горной выработке 2 и газа в интервале дегазационной скважины 4 изолированной герметизатором 5 мало зависят от наличия экрана, то удлинение пути фильтрации воздуха противофильтрационным экраном по патенту РФ №2641555 снижает подсосы воздуха в дегазационную скважину 3 не более, чем в 5 раз. Ограниченные возможности изоляции горной выработки известным способом по патенту РФ № 2641555 являются его существенным недостатком.

Техническая задача, решаемая с помощью предлагаемого способа, заключается в повышении эффективности изоляции горной выработки за счет увеличения охвата контура горной выработки непроницаемыми экранами.

Поставленная задача решается тем, что в способе изолирования горной выработки от породного массива, включающем создание в породном массиве непроницаемых экранов путем бурения скважин из горной выработки, выполнения гидроразрыва горных пород для формирования трещин в породном массиве и заполнение трещин изолирующим составом, согласно техническому решению, гидроразрывы проводят на удалении от поверхности горной выработки равном 0.1-0.3 величины среднего диаметра выработки, задавая начальное развитие трещин поперек направления действующего в плоскости поперечного сечения горной выработки максимального сжатия пород и заполняют каждую созданную трещину эластичным полимером под давлением равным давлению распространения трещины в объеме не менее 70*K_IC*(1-v²)/E*D^5/2, м³, где D – средний диаметр поперечного сечения горной выработки, м, K_IC – критический коэффициент интенсивности напряжений, Па*м^1/2, v – коэффициент Пуассона, E – модуль упругости породы, Па для формирования дугообразного непроницаемого экрана, охватывающего не менее половины контура поперечного сечения горной выработки.

Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает криволинейное развитие трещин гидроразрыва по дуге вокруг горной выработки с охватом не менее половины ее контура и формирование совпадающих с трещинами непроницаемых экранов после заполнения объема созданных трещин гидроразрыва изолирующим составом. Формирование огибающих по дуге горную выработку трещин при проведении гидроразрыва в зоне разгрузки породного массива горной выработкой подтверждено результатами математического и физического моделирования гидроразрыва породного массива в окрестности цилиндрической полости (Сердюков С.В., Азаров А.В., Рыбалкин Л.А., Патутин А.В. О форме трещин гидроразрыва породного массива в окрестности цилиндрической полости // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021г. № 6. С.72-84. [1]). Форма образующихся трещин зависит от напряженного состояния породного массива, расстояния до поверхности горной выработки, упругих и прочностных свойств пород. В случае, когда вне зоны влияния горной выработки сжатие породного массива неоднородно, развитие трещины происходит в энергетически выгодном направлении по дуге вокруг горной выработки до тех пор, пока направление ее роста не становится перпендикулярным проекции минимального сжатия пород на плоскость поперечного сечения горной выработки. По достижении этого положения энергетически более выгодным становится распространение трещины вдоль продольной оси горной выработки, вследствие чего трещина разворачивается и начинает распространяться по этому направлению. В результате образуется трещина, форма которой показана на фиг. 2 [1].

В случае, когда вне зоны влияния горной выработки сжатие породного массива однородно (гидростатическое напряженное состояние породного массива), образуется изогнутая по дуге вокруг горной выработки дискообразная трещина [1].

По мере удаления инициатора гидроразрыва от горной выработки ее влияние на напряженное состояние породного массива уменьшается, трещины становятся более прямолинейными и эффект охвата ими контура горной выработки пропадает [1]. Условием достаточной разгрузки породного массива горной выработкой для формирования криволинейной трещины, охватывающей не менее половины контура горной выработки, является проведение гидроразрыва на удалении от поверхности горной выработки не более 0.3*D. На удалении менее 0.1*D возможны повышенные утечки рабочей жидкости гидроразрыва в нарушенные проходкой горной выработки породы, прилегающие к ее поверхности, что затрудняет получение трещин, требуемых размеров и формы. Для формирования криволинейной трещины, охватывающей не менее половины контура горной выработки, гидроразрывы проводятся на удалении от поверхности горной выработки равном (0.1-0.3)*D.

Трещина гидроразрыва, заполненная рабочей жидкостью под давлением, деформирует поверхность рядом расположенной горной выработки, что увеличивает раскрытие трещины по направлению к выработке [2]. В результате объем трещины гидроразрыва в зоне разгрузки породного массива горной выработкой больше, чем такой же по площади трещины вне этой зоны. Общим остается вид функциональной зависимости объема трещины (V) от свойств породы и радиуса трещины V~K_IC*(1-v²)/E*R^5/2. С учетом размеров непроницаемых экранов согласно техническому решению для формирования дугообразного непроницаемого экрана, охватывающего не менее половины контура горной выработки, требуется заполнить созданную трещину гидроразрыва изолирующим составом, например эластичным полимером, под давлением, равным давлению распространения трещины, в объеме не менее 70*K_IC*(1-v²)/E*D^5/2, м³.

Гидроразрыв породного массива представляет собой технологическую операцию, которую проводят в скважине, изолируя в ней герметизатором интервал разрыва и нагнетая в этот интервал рабочую жидкость под высоким давлением, достаточным для образования трещины в окружающей скважину породе. Развитие трещины поперек проекции максимального сжатия пород на плоскость поперечного сечения горной выработки в предлагаемом способе может быть задано использованием скважин, пробуренных из горной выработки как по нормали к ее поверхности, так и параллельно ее продольной оси.

Сущность предлагаемого способа изоляции горной выработки и возможность его осуществления с использованием скважин различной ориентации поясняются фиг. 3, 4.

На фиг. 3 представлена схема изоляции горной выработки 2 от породного массива 1 с проведением гидроразрыва в скважинах 8, 9, пробуренных параллельно продольной оси горной выработки 2 в плоскости ее осевого сечения, компланарного вектору максимального сжатия пород S_xx. В интервале пересечения горной выработки естественными и искусственными нарушениями породного массива длину интервала разрыва скважин выбирают из условия перекрытия интервала пересечения выработки нарушениями породного массива. Для повышения охвата контура горной выработки непроницаемыми экранами 6, 7 гидроразрывы могут проводиться в двух симметрично расположенных по разные стороны горной выработки скважинах пробуренных параллельно продольной оси выработки в плоскости ее осевого сечения, компланарного вектору максимального сжатия пород.

На фиг. 4, 5 представлены схемы реализации предлагаемого способа изоляции горной выработки в случае ее пересечения естественными и искусственными нарушениями 10 породного массива 1 при проведении гидроразрыва в скважинах 8, 9, пробуренных из горной выработки 2 в поперечном и осевом сечении горной выработки соответственно.

Направление трещин на начальном этапе развития поперек скважин может быть задано различными способами, например с помощью щелевого инициатора, нарезанного на стенках скважины щелеобразователем по патенту РФ №2602634 (МПК Е21В 43/26, опубл. 20.11.2016 г.) или за счет дополнительного осевого нагружения по патенту РФ №2522677 (МПК E21B 43/26, опубл. 10.04.2014 г.). Для повышения охвата контура горной выработки непроницаемыми экранами 6, 7 гидроразрывы могут быть проведены в паре скважин 8, 9, пробуренных из горной выработки в диаметрально противоположных направлениях вдоль проекции вектора максимального сжатия пород на плоскость поперечного сечения горной выработки. Предлагаемый способ изоляции горной выработки обеспечивает охват непроницаемым экраном интервала горной выработки протяженностью вдоль оси не менее 0.3*D.

В случае, когда интервал пересечения горной выработки естественными и искусственными нарушениями 10 породного массива 1 имеет протяженность по оси выработки более 0.3*D, трещины гидроразрыва могут быть созданы с использованием нескольких пар скважин, разнесенных вдоль продольной оси горной выработки на расстояние равное (0.1-0.2)*D. Количество пар скважин выбирают исходя из условия полного перекрытия непроницаемыми экранами интервала ее пересечения естественными и искусственными нарушениями породного массива.

В результате применения заявляемого способа повышается эффективность изоляции горной выработки, включая интервалы ее пересечения естественными и искусственными нарушениями породного массива.

Рассмотренное показывает, что изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности изоляции горной выработки за счет увеличения охвата контура горной выработки непроницаемыми экранами.

Источники информации.

1. Сердюков С.В., Азаров А.В., Рыбалкин Л.А., Патутин А.В. О форме трещин гидроразрыва породного массива в окрестности цилиндрической полости // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021г. № 6. С.72-84.

2. Азаров А.В., Сердюков С.В., Патутин А.В. Исследование роста трещины гидроразрыва вблизи горной выработки // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2019. Т.6. №.1. С. 26-31.

Заявлен способ изолирования горной выработки от породного массива. Техническим результатом является повышение эффективности изоляции горной выработки за счет увеличения охвата контура горной выработки непроницаемыми экранами. Способ включает создание в породном массиве непроницаемых экранов путем бурения скважин из горной выработки. Включает выполнения гидроразрыва горных пород для формирования трещин в породном массиве и заполнение трещин изолирующим составом. Гидроразрывы проводят на удалении от поверхности горной выработки, равном 0.1-0.3 величины среднего диаметра выработки, задавая начальное развитие трещин поперек направления действующего в плоскости поперечного сечения горной выработки максимального сжатия пород. После чего заполняют каждую созданную трещину эластичным полимером под давлением равным давлению распространения трещины в объеме не менее 70⋅K_IC⋅(1-v2)/E⋅D^5/2, м³, где D – средний диаметр поперечного сечения горной выработки, м, K_IC – критический коэффициент интенсивности напряжений, Па⋅м^1/2, v – коэффициент Пуассона, E – модуль упругости породы, Па для формирования дугообразного непроницаемого экрана, охватывающего не менее половины контура поперечного сечения горной выработки. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изолирования горной выработки от породного массива, включающий создание в породном массиве непроницаемых экранов путем бурения скважин из горной выработки, выполнения гидроразрыва горных пород для формирования трещин в породном массиве и заполнение трещин изолирующим составом, отличающийся тем, что гидроразрывы проводят на удалении от поверхности горной выработки, равном 0.1-0.3 величины среднего диаметра выработки, задавая начальное развитие трещин поперек направления действующего в плоскости поперечного сечения горной выработки максимального сжатия пород и заполняют каждую созданную трещину эластичным полимером под давлением равным давлению распространения трещины в объеме не менее 70⋅K_IC⋅(1-v²)/E⋅D^5/2, м³, где D – средний диаметр поперечного сечения горной выработки, м, K_IC – критический коэффициент интенсивности напряжений, Па⋅м^1/2, v – коэффициент Пуассона, E – модуль упругости породы, Па для формирования дугообразного непроницаемого экрана, охватывающего не менее половины контура поперечного сечения горной выработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидроразрывы проводят в интервалах скважин, пробуренных параллельно продольной оси горной выработки в плоскости ее осевого сечения, компланарного вектору максимального сжатия пород.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что интервалы разрыва скважин перекрывают интервал пересечения горной выработки естественными и искусственными нарушениями породного массива.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что гидроразрывы проводят в двух симметрично расположенных по разные стороны горной выработки скважинах.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на начальном этапе развития трещины гидроразрыва направляют поперек скважин, пробуренных из горной выработки вдоль проекции вектора максимального сжатия пород на плоскость поперечного сечения горной выработки.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что трещины гидроразрыва создают в паре скважин, пробуренных из горной выработки в диаметрально противоположных направлениях.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что трещины гидроразрыва создают в нескольких парах скважин, разнесенных вдоль продольной оси горной выработки на расстояние равное (0.1-0.2)⋅D.