Способ определения газопроницаемости горных пород в массиве Советский патент 1983 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к контропьноизмернтепьной технике и может найти Применение в горной промышленности при опреДепетга прошшаемости горного маосива, в том числе и опасного в отношедаи внезапных выбросов угпя и газа,, Известен способ опредепения газопро ницаемости горных пород в массиве, ko торый состоит в бурении двух параппепьных скважин, нагнетания в одну из них (пусковую) газа под давлением и регистрации егчэ расхода (дебита) в другой скважине (приемной). Измеряя давление, расход газа и его вязкость в скважинах определяют коэффициент газопроницаемоети горного массива 1 , Однако этот способ не позволяет установить степень влияния внешней нагрузки на газопроницаемость массива. Между тем напряжение сильно влияет на проницаемость. Известен такисе способ определения газопроницаемости, заключающийся в бурещ1И двух параллельных скважин, запуск газа в массив и регистрации параметров потока, причем участок массива, включающий фильтрационный объем, нагружается давильной установкой 2 , Недостатком такого способа является то, что прошшаемость можно опреде- лить только в краевой части массива на глубине 0,6-0,8 м, так как углубление ниши и монтаж давильной установки даже на глубине 1 м от обнажения увеличивает трудоемкость проведения одного опыта в 4-5 раз. Кроме этого, в процессе нагружения раскрываются ктшажные трещины, которые сообщают с обнажением создаваемый фильтрационный поток в пласте. В резуль тате газ дренируется в выработку, минуя угольный массив. Наиболее близким к изобретению по техтмеской сущности является способ определения газопроницаемости горшых пород в массиве, заключающийся в яагру жении испытуемого массива радиальными нагрузками и регистрации параметров фильтрационного потока, подаваемого в нагнетательную фильтрационную скважину paзмeщe шyю в зоне влия1тая радиальных нагрузок. Для создания радиальных нагрузок выбуривают траншею по замкнутому контуру вокруг целика, бурят центральное отверстие - нагнетателыг ю филь рационную скважину - в целике и нв.гне тают в него воду с одновременным обжатием его осевыми и радиальными нагрузками различной интенсивности с измерением расхода жидкости и деформации массива 3 . Недостатком известного способа является ненадежность и недостоверность результатов определения, что обусловлено , что оконтуривание целика по кольцу нарушает структуру массива. При исследований определенных видов пород, 1таПример угольных пластов со слабым углем, целик вообще изготовить нельзя вследствие разрушения породы. Целью изобретения является повышение точности определения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения проницаемости горных пород в массиве, заключающемуся в нагружении испытуемого массива радиальными нагрузками и регистрации параметров фильтрационного потока, гюдаваемого в нагнетательную фильтрационную камеру, размещенную в зоне влияния радиальных нагрузок, вначале осуществляют нагружение испытуемого массива путем последовательного оконту- ривания его нагрузочными скважинами и создания в них давления, а затем выбуривают нагнетательную фильтрационную скважину, причем каждую последующую нагрузочную скважину бурят после создания давления в предыдущей. В зоне вяияшя радиальной нагрузки дополнительно выбуривают приемную фильтрационную скважину на расстоянии г от нагнетательной фильтрационной скважины, сообщают обе скважины с nt верхностью массива трубками и герметизируют на глубину 6 , причем 2 г. На фиг. 1 изображена общая схема, поясннющая сущность предлагаемого способа для случая угольного пласта; на фиг. 2 - частный случай предлагаемого способа определения проницаемости, где пусковая скважина расположена в центре трех нагрузочных скважин, а приемная находится Biis зоны регулируемой нагрузки; на фиг. 3 - то же, между скважинами 3 и 4, когда фильтрационный объем массива слева и справа ограничен зонами постоянного повышенного давления от нагружающих скважин. Нагрузка cтз пенчато регулируется только центральными нагрузочными скважинами; на фиг. 4 пример полной разгрузки пласта, когда нет необходимости учитывать начальное напряжение от вышележащих пород. Из подземной выработки в угольном пласте бурят скважины 1 большого диаметра (фиг. 1). Количество скважин может бьгть от одной до трех и более в зависимости от прочности массива и спожности решаемой задачи. Поспе бурения первой скважины в нее дооылается нагружающее устройство 2 и осуществпяется радиапьное нагружение массива до ветечины вертикальной составляющей напряжений в нетронутом массиве , где 0- средняя объемная масса породной тотди, Н - глубина от земной поверхности, м. Затем бурят и нагружают следующую скважину в таком же порядке и т.д. Далее бурят скважины 3 и 4 (шпу ры) малогчэ диаметра для запуска и приема газа, сообщают их фильтрационные камеры с выработкой и герметизируют. При условии надежной герметизации минимальная ее длина (длина герметизации в зоне действия радиальных напряжений должна быть не менее расстояния г меж ду скважинами 3 и 4. Производят запуск газа под давлением в фильтрационную камеру 3 и регистрируют его дебит, давление, вязкость и тем пературу в обеих камерах. Вычисляют коэффициент проницаемости при давлении в массиве зд . Сбрасывают давление в силовых цилиндрах 5 нагружающих устройств 2, что приводит к разгрузке массива. Определяют проницаемость пласта при нулевой нагрузке. В дальнейшем производят ступенчатое повышение радиальгной нагрузки нагружающими устройствами и определяют зависимость проницаемости от этой нагрузки. Силовые гидроцилиндры 5 нагружающих устройств питаются от единой гидросистемы (не показана), поэтому нагрузка на стенки каждой скважины и в целом на массив передается равномерной. Пример. Для выполнения указанного способа необходимо предварительно на плане горных работ выбрать место определения проницаемости, где горный массив не подвержен чрезмерному горному давлению. Участок выбирается вне зовц вгашния взрывных и очистных работ, вдали от цепиков .небольших размеров, вне зоны влияния опорного давления от соседних выработок или оставленных цепи ков на смежных пластах (ески спешшл но не ставится задача по определению влияния указанных технологических факторов на проницаемость массива). Бурится контрольная скважина диаметром 4,2 см на заданную глубину, где необходимо определить прошшаемость, ншфимер 5 м. Измеряется количество буровой мелочи с каждого погонного метра скважины. Постоянство выхода мелочи 10 2 (допускается разброс +20%) свидетельствует об устойчивости скважиньг и пригодности участка с точки зрения вепичины концентрации напряжений в пласте. Отступив на расстояние 1О м и более от контрольной скважины, бурят три сква- жины 1 (фиг. 1) диаметром 15 см длиной 5 м. Пробурив скважину, желательно ее продуть сжатым воздухом для удаления мелких фракций угпя. Устанавливают в скважину нагружающее устройство и, нагнетая жидкость под давлением, нагружают массив до уровня напряжений о Т приемом предотвращается нарушение сплошности массива вокруг пробуренной скважины от вибрации инструмента при бурении следующей скважины. После бурения нагрузочных скважин 1диаметром 150 мм и создания в них давления бурят фильтрационные скважины 2и 3 длиной 4,3 м и диаметром 4,2см на расстоянии . г 0,5 м друг от друга и от центральной скважины на расстояниях по 21 15О мм. Длину фильтранионной камерьт принимаем Рд 30 см, цпину гермегизапии фильтрационных скважин в зоне действия нагрузок - 0,6 м. Производят запуск сжатого воздуха при 20°С и давлении 5 кгс/см в скважину 2, а в скважине 3 измеряют расход газа Ql и давление 2 кгс/см 29 см с Вычисляют коэффициент проницаемости горного массива 0,85 . Сбрасывают давление в .шгрузочных скважинах и определяют проницаемость при нулевой нагрузке, затем нагружающими устройствами устанавливаем радиальные напряжения вокруг скважин (2 в 25, 50, 75, 1ОО и т.д. кгс/см и все операции повторяются (нагнетается . газ- и измеряется расход и давление и т.д.). Можно также определять проницаемость при ступенчатой разгрузке массива и при давлениях газа вплоть до 100 ат. В результате получаем решение задачи о влиянии внешней нагрузки и давпения газа на газопроницаемость массива на глубине от выработки. Можно также решать задачу о влиянии нагрузки на дегазацию природного газа из пласта. Точность определения напряжений и газопроницаемости зависит от точности измерительных приборов. Например, при давлении 5ОО кгс/см и измерении его маиометром класса 1,5 точность определения напряжений для шахтных опытов достаточно высокая +7,5 кгс/см . ИопоЯьзуя расходомеры типа ПГ-2 и института МакНИИ, можно изучать проницае-мофть в широком диапазоне встречающихся ;ус11овий ..

Применение предпагаемого способа позволит точнее опредепять проницаемость угольных пластов в реальных шахтнык условиях в глубине массива с уне-том Действующих напряжений, что необходимо для установления пути и скорости миграции газа в пласте в связи с раскрытием механизма внезапного выброса угля и газа, а также параметров дегазации угольных пластов. В результате может быть повышена эффективность дегазационных скважин, улучшено качество работ по нагнетанию воды в пласт, как метода борьбы с внезапными выбросами -И горными ударами, сокращены объемы бурения.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНЫХ ГОРОД В МАССИВЕ, заклю1ающийся в нагружении испытуемого массива радиальными нагрузками и регистраш1 и параметров фильтрационного потока, подаваемого в нагнетательную фильтрационную камеру, размещенную в зоне влияния радиальных нагрузок, отличающийся тем, что, с цепью повышеттая точности определения, вначале осуществляют нагружение испытуемого массива путем последовательного оконтуривания его нагрузочными скважинами и создания в них давления, а затем выбуривают нагнетательную фильтрационную С1сважину, причем калсдую последующую нагрузочную сквансину бурят после создашш давления в предыдущей. 2. Способ По п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в зонв влияния ра- § диальной нагрузки дополнительно выбури- (Л вают приемную фильтрационную сжважину на расстоянии t от нагнетательной фильтрационной скважины, схюбщают обе сква- I жинь с поверхностью массива трубками и с герметизируют на глубину В , при В Я. . со о о ю

.

K VX/ X л чVVЛ v/Wvy чv/ ч y CчvVO

фиг.2

...

(j4 i NXXA VVJ 4NyXxS % NNy/X VX/Cwv V Фи.