Способ определения газоносности полезного ископаемого по газовыделению при бурении скважин и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке полезных ископаемых, в том числе угольных пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Известен способ определения газоносности угольных пластов, включающий бурение скважин, измерение скорости газовыделения на каждом интервале и определение газоносности расчетным путем 1. Способ осуществляется устройством, включающим центральную трубу, соединенную отводами с улавливателем шлама и газовым счетчиком, уплотнительный элемент, герметизатор буровой щтаиги, буровую щтангу и привод буровой штанги 1. Недостатки способа - малая оперативность, большая трудоемкость выполнения из-за большого объема подготовительнозаключительных операций по герметизации устья скважины и сложность проведения бурения вследствие необходимости герметизации витых буровых штанг. Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ, включающий поинтервальное бурение скважины, измерение на каждом интервале времени собственного бурения, очистки скважины и стабилизации газовыделения, определение остаточной газоносности штыба и оценку газоносности пласта 2. Способ осуществляется устройством, включающим трубу для размещения буровой штанги, буровую штангу, штыбосборник и привод буровой штанги 2. Недостатками известных способа и устройства для его осуществления являются значительные погрешности при измерении концентрации метана вследствие неравномерного распределения метана в газовоздущном потоке и необходимость постоянного измерения фоновой концентрации метана в атмосфере выработки. Цель изобретения - сокращение времени по определению газоносности и повьшения точности определения газоносности. Поставленная-цель достигается тем, что согласно способу, включающему поинтервальное бурение скважины, измерение на каждом интервале времени собственного бурения, очистки скважины и стабилизации газовыделения, определение остаточной газоносности щтыба и оценку газоносности, на каждом интервале скважины перед бурением и в процессе бурения, очистки и стабилизации газовыделения у поверхности забоя вокруг устья скважины создают депрессию 0,1-1,0 кПа, измеряют концентра-, ции метана в отсасываемой пробе газа через равные промежутки времени, величина которых не превышает 10, при этом газоносность пласта определяют по формуле . .+ - )+и(1Ж МП. Й( 10Р пП юор (. юо-А 842 где УС - газоносность полезного ископаемого, беззольной сухой массы: Хо - остаточная газоносность полезного ископаемого, беззольной сухой массы; -время бурения интервала скважины, мин; (д - время расщтыбовки скважины и стабилизации газовыделения, мин; А - зольность, /о; NI ,Мл-отсчеты концентрации метана перед началом бурения интервала скважины и после стабилизации газовыделения, 7о; п - число измерений концентрации NJ метана за время Q - расход газа, беззольной сухой массы; р -масса щтыба, т. Известное устройство, включающее трубу для размещения буровой штанги, буровую щтангу, штыбосборник и привод буровой щтанги, выполнено в виде не менее двух последовательно расположенных кольцевых камер с отверстиями, в которых жестко закреплена труба для размещения буровой штанги, кольцевые камеры сообшаются между собой каналами, .расположенными диаметрально, при этом первая кольцевая камера выполнена с всасывающим отверстием и снабжена соплом, содержащим приспособление для регулирования зазора между соплом и забоем, а диаметр сопла превышает диаметр трубы для размещения буровой штанги не более чем в три раза. На фиг 1 представлена функциональная схема устройства для определения газоносности полезного ископаемого; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - график изменения концентрации метана при бурении интервала скважины. Устройство для определения-газоносности полезного ископаемого по газовыделению при бурении скважины состоит из корпуса 1 с передней 2 и задней 3 стенками и перегородками 4-6, имеющими центральные отверстия, сквозь которые пропущена труба 7 для размещения буровой щтанги 8. Корпус 1, труба 8, стенки 2 и 3, а также перегородки 4-6 образуют последовательно расположенные кольцевые камеры для перемешивания метановоздушной смеси, сообщающиеся между собой диаметрально расположенными каналами а, б к в. Каналы расположены в вертикальной плоскости, что позволяет использовать кольцевые камеры также и для инерционного отделения угольной пыли от газовоздушной смеси. Стенка 2 в верхней части имеет отверстия г для аспирации метановоздущной смеси, под которыми расположен отражатель 9,а в нижней - направляющую лопатку 10,которая вместе с отражателем 9 препятствует п|Эпаданик в отверстия г угольной мелочи раскрученной шнеками буровой штанги. Стенка 3 имеет штуцер 11 для подключения газоанализатора 12.

Корпус 1 соединен с соплом 13, служащим для улавливания выделяющегося из скважины метана, подсоса воздуха из атмосферы выработки и направления буровой мелочи в штыбосборник 14. Сопло 13 имеет диаметр 120 мм, поскольку скважины для измерения газовыделения, как правило, бурят диаметром- 42 мм, и снабжено приспособлением для регулирования зазора между ним и забоем, выполненным в виде регулировочных винтов 15 и 16, укрепленных по его бокам. Корпус 1 имеет анкер 17 для фиксирования газоотборного устройства в массиве и заглушку 18 для очистки кольцевых камер от угольной мелочи. К газоанализатору 12 подключен аспиратор 19, а к буровой штанге 8 - привод 20.

Предлагаемый способ определения газоносности полезного ископаемого по газовыделению при бурении скважины осуществляют следующим образом.

В з;абое Выработки бурят шпур диаметром 42 мм глубиной 0,5-1.0 м, в который вводят анкер 17 так, чтобы сопло 13 касалось поверхности забоя. К штуцеру 11 подключают газоанализатор 12, например МУВ-1, снабженный датчиком для измерения высоких концентраций метана. Можно также использовать известный интерферометр ШИ-7. К газоанализатору 12 подключают аспиратор 19, например известные АЭР-4 м или АЭРА. В трубу 7 вводят буровую щтангу 8. Зате.ч включают аспиратор 19, под сопло 13 вводят трубку от депрессиометра {можно использовать известный расходомер газа ПГ-2М) и, вывинчивая винты 15 и 16, создают такой зазор между поверхностью забоя и торцом сопла 13, чтобы при заданном расходе аспиратора 19, превышающем максимальный ожидаемый дебит газа из скважины, депрессия не превышала 1,0 кПа. Затем анкер 17 расклинивают, под сопло 13 устанавливают штыбосборник 14, а к буровой штанге 8 подключают привод 20 и приступают к бут рению скважины диаметром 42 мм.

Перед бурением каждого, например, метрового интервала скважины включают аспиратор 19 и измеряют концентрацию газа у устья скважины Nj, затем включают привод 20, равномерно в течение времени t 1 мин бурят интервал скважины и через каждые, например, 10 с измеряют концентрацию метана. При этом выбуренный штыб задерживается отражателем 9 и лопаткой 10 направляется в штыбосборннк 14, а метан, выделяющийся из скважины, вместе с воздухом выработки втягивается под сопло 13, всасывается в отверстия г, попадает в первую инерционную пылеотделительную кольцевую камеру, огибает с двух сторон трубу 8 и, пройдя отверстие а, поворачивается на 180°. Пройдя таким образом все кольцевые камеры, газовоздушная 5 струя многократно разделяется и резко меняет направление движения, что приводит к .равномерному перемешиванию в ней метана и к осаждению витающих в ней угольных частиц.

Q По окончании бурения интервала скважины вращением штанг без подачи в течение 20-30 с очищают сквая{ину от бурового штыба и включают привод 20. В процессе расштыбовки скважины и стабилизации газовыделения (to «З мин) через равные интервалы времени, не превышающие 10 с, такж,е измеряют концентрацию метана Ni. и строят график (t) (фиг. 3). Концентрацию Ni можно также фиксировать с помощью самопищущего устройства, например типа ИВН-1.

Газоносность полезного ископаемого рассчитывают по формуле

x ( - JiiJL)+t(- - Nn)lX

) 5 «Wp ЮО-А Ь

гдедь-остаточная газоносность угля,

беззольной сухой массы; i/ - время бурения интервала скважины,

мин; 0 to время расштыбовки скважины и

стабилизации газовыделения, мин; р -масса штыба, выбуренного из интервала скажины. т;

Ni,Nn-отсчеты концентрации метана перед началом бурения интервала скважи5ны и после стабилизации газовыделения, %; Д -зольность, %; (J -расход газа, беззольной сухой

массы; 0 п-число измерений концентрации Ni

метана за время te-f-t. При регистрации концентрации метана самопищущим устройством по длине ленты самописца откладывают время бурения интервала скважины и время очистки и стабилизации газовыделения . Из точкн te восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой, отражающей изменение концентрации метана в процессе бурения интервала скважины. Из полученной точки пересечения проводят прямую, параллельную линии движения ленты, до ее пересечения с перпендикуляром, восстановленным из точки tj. Полученную точку пересечения соединяют с точкой кривой, соответствующей началу бурения интервала 5 скважины. Площади фигур, характеризующих объем газа, выделившегося в разные периоды бурения, определяют любым известным способом.

Преимущество изобретения состоит в том, что повышается точность определения газоносности за счет повышения точности определения концентрации метана в исследуемой газовоздушной смеси вследствие ее равномерного перемешивания, а также благодаря грубой и тонкой очистке от бурового штыба, и дебита газа в процессе бурения, что позволяет сократить не менее чем на необходимое количество измерений при оценке выбросоопасности пласта. Упрощается так же технология измерений в результате сокращения объема подготовительно-заключительных работ и упрощения процесса бурения, что позволяет не менее чем в 1,5 раза повысить производительность труда при определении газоносности угля и исключается необходимость контроля фоновой концентрации метана в атмосфере выработки.

1. Способ определения газоносности полезного ископаемого по газовыделению при бурении скважин, включающий поинтервальное бурение скважины, измерение на каждом интервале времени собственного бурения, очистки скважины и стабилизации газовыделения, определение остаточной газоносности щтыба и оценку газоносности пласта, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени по определению газоносности и повыщения точности определения газоносности, на каждом интервале скважины перед бурением и в процессе бурения, очистки и стабилизации газовыделения у поверхности забоя вокруг устья скважины создают депрессию 0,1-1,0 кПа, измеряют концентрации метана в отсасываемой пробе газа через равные промежутки времени, величина которых не превышает 10 с, при этом газоносность пласта определяют по .-.ЬА.,,.,.Ы 1.О:(ШО. ЮОРЧОО-Л где X - газоносность полезного ископаемого, беззольной сухой массы; Хо - остаточная газоносность полезного ископаемого, беззольнок сухой массы; t - время бурения интервала скважины, мин; О. - расход газа, беззольной сухой массы; 1о - время расштыбовки скважины и стабилизации газовыделения, мин; Л - зольность, %; N, ;Vn -отсчеты концентрации метана перед началом бурения интервала скважины и после стабилизации газо€ выделения, %; (Л П -кисло измерений концентрации Nj метана за время р -масса щтыба, т. 2. Устройство для определения газоносности полезного ископаемого по газовыделению при бурении скважин, включающее трубу для размещения буровой штанги, б ровую штангу, штыбосборник, привод буровой щтанги, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени по определесо нию газоносности и повышения точности 00 определения, оно выполнено в виде не нее двух последовательно расположенных оо кольцевых камер с отверстиями, в которых жестко закреплена труба для размещения 4:: буровой штанги, кольцевые камеры сообщены между собой каналами, расположенными диаметрально, при этом первая кольцевая камера выполнена с всасывающим отверстием и снабжена соплом, содержащим приспособление для регулирования зазора между соплом и забоем, а диаметр сопла превышает диаметр трубы для размещения буровой щтанги не более чем в три раза.

А-А

Фиг.2

1,1.

Фиг.З