Способ гидрообработки горного массива Советский патент 1991 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для создания безопасных и комфортных условий при подземной и открытой разработке угольных и породных массивов в шахтах и рудниках, преимущественно при отработке мерзлых угольных пластов,

Цель изобретения - повышение эффективности гидрообработки в условиях мерзлого массива за счет равномерного и глубокого прогрева горного массива с одновременным увлажнением.

На фиг. 1 показана принципиальная схема расположения скважин и оборудования при обработке массива при последовательном соединении скважин при подземной разработке; на фиг.2 - то же, при параллельном соединении скважин; на фиг.З - схема обработки массива изогнутой скважиной при открытой разработке; на фиг.4 - схема

скважин, пробуренных под углом одна к другой при открытой разработке; на фиг.5 - диаграмма фазового состояния системы рассол - лед, где 1 - раствор NaCI, а 2 - раствор CaCla.

От насоса 1 с манометром 2 через гидрозатвор 3 теплоноситель (подогретая жидкость или пар) поступает на вход пробуренных в горном массиве скважин 4, соединенных через аналогичные гидрозатворы 3, вентиль 5 и гидромагистраль 6 одна с другой.

На выходе скважин 4 установлены аналогичные упомянутые гидрозэтворы 3 и вентиль 5, через которые скважины 4 соединены с теплогенератором 7, выходное отверстие которого соединено с входом насоса 1,

Способ реализуется следующим образом.

По одной из приведенных схем в массиве бурят сквозные скважины 4, которые на входе и выходе герметизируют гидро- за ворами 3, а также на выходе из них устанавливают вентили 5 (можно использовать редукционные клапаны или дроссели). Затем скважины соединяют по одной из указанных схем в единую закольцованную систему с нагревательной емкостью 8 (с водой) и насосом 1. Для удобства обслуживания насоса 1 и нагревателя 7 их располагают в шахте рядом, например на вентиляционном или откаточном штреке. Горячую воду (или пар) прокачивают через систему скважин 4 под давлением, зависящем от горно-геологических свойств массива. Давление выбирается экспериментально и не должно превышать Р 1,5 g- H (МПа), где у -средняя плотность пород, кг/м3;д-ускорение свободного падения, м/с2 (д 9,8м/с2); Н - высота столба вышележащих пород, м.

Вентилями 5 создаются перепады давлений между скважинами, что приводит к фильтрации жидкости или пара в массиве и его увлажнению. Циркуляция горячей воды приводит к нагреву массива, раскрытию микротрещин и к ослаблению массива, повышению его фильтрационной способности и увеличению зоны активной фильтрации. Процесс контролируется по давлению в системе или по температуре массива. Оптимальная температура подаваемого в горный массив теплоносителя в виде подогретой воды по данным экспериментальных работ должна находиться в диапазоне 35-45°С, однако может быть и выше, сохраняя положительные свойства изобретения. При этом нижним пределом температуры нагнетаемой подогретой жидкости является темпе ратура горного массива, поэтому перед подачей в горный массив температура нагнетаемой жидкости равна или выше температуры обрабатываемого массива (или пласта).

Окончание процесса определяется по количеству затраченного тепла, которое измеряется по счетчику электрической энергии, по резкому спаду давления между входом и выходом жидкости в системе скважин, свидетельствующем о движении ее в массиве между скважинами или скважиной и забоем, или по температуре массива, определяемой при помощи термометра (терморезистора) в контрольном шпуре.

Использование прогрева с одновременным увлажнением его подогретой жидкостью сохраняет эффективное воздействие на пыль и газ массива продолжительное

-

время, так как глубокий регулируемый прогрев массива с одновременным его увлажнением приводит к раскрытию микротрещин и пор, к лучшему и равномерному

заполнению их жидкостью, увлажнению на основе действия капиллярных сил, увеличению зоны гидрообработки, т.е. повышает эффективность гидрообработки.

Эффективно применение изобретения

при разработке горных массивов в условиях отрицательных температур. В этом случае массив в качестве теплоносителя обрабатывают подогретым рассолом или его паром, концентрацию которых определяют из математического выражения

ГПл

п 0,5 nt ( 1 + -- ),

ГПг

20

30

35

40

где nt - концентрация соли в воде, при которой раствор не замерзает при данной температуре массива.

Концентрация определяется из диаграммы фазового состояния системы рас- 25 сол - лед (фиг.5). Аналогичные диаграммы существуют и для других солей: KCI, NaaSO и т.д., которые можно использовать при осуществлении предлагаемого способа.

В приведенной формуле тл - льди- стость массива, кг/т, т.е. такое количество льда, которое может и должно растаять при обработке массива (устанавливается обычно геологами и является известной для каждого пласта или забоя); тр - удельный расход жидкости при нагнетании ее в массив в процессе термообработки, кг/т.

Произведение nt (1 Ч--) представГТ)р

ляет собой концентрацию рассола, которая получится при таянии льда в количестве гпл и расворении им рассола тр.

Коэффициент в формуле 0,5 показывает, что рабочая концентрация должна быть не

ниже 0,5 nt ( 1 + -- ) . При такой концентГПр

рации будет замерзать до 50% воды из рассола после ее охлаждения до температуры массива. А это не увеличит смерзаемость и прочность его после обработки.

Например, для шахты, разрабатывающей угольные пласты с температурой массива -4°С, концентрация соли NaCI в растворе, незамерзающем при этой температуре, по диаграмме фазового состояния (фиг.5) будет nt 6,5%. При льдистости массива тл 20 кг на тонну угля (2%) и удельном расходе жидкости при пропитке массива.

равном 15 кг/т, концентрация соли NaCI должна быть не ниже

on

п 0,5 6,5(1 +) 7,6 % . 15

Количество тепла QM (Дж) для отработки массива определяется из необходимости растапливания содержащегося о нем льда

Q Ятл (МДж ),

где Я - скрытая теплота льдообразования, равная 0,33 МДж/кг.

Для рассматриваемого случая на 1 т горной породы приходится

Q 0,33 . 20 кг 6,7 МДж . кг

При этом лед может таять в рассоле и при температуре ниже нуля до тех пор, пока рассол не разбавится до такой концентрации, при которой он находится в равновесии со льдом при этой температуре.

Если таяние льда осуществлять при D°C, то необходимо нагреть массив от его начальной температуры t до 0°С, затратив на это Qm энергии Qm m -С (t - 0), или для 1 т горной породы Qm 1000t, где С - теплоемкость массива, КДж/кг град. Для угольного массива КДж

,261000 кг 4 град 5 МДж

кг град

Окончание процесса определяется по количеству затраченного тепла (7-12 МДж/т), которое измеряется по счетчику электрической энергии или по резкому спаду давления между входом и выходом жидкости в системе, свидетельствующем о движении ее в массиве между скважинами или скважиной и забоем, или по температуре массива, определяемой при помощи термометра (терморезистора) в контрольном шпуре.

Использование прогрева с одновременным увлажнением его рассолом сохраняет воздействие жидкости на массив на продолжительное время и повышает эффективность гидрообработки.

В результате повышение температуры массива вначале приводит к повышению адгезии пыли к влажной мерзлой поверхности в трещинах, затем к таянию льда и получению активной влаги, способной связывать пыль к ослаблению массива с одновременным повышением фильтрационного объема за счет растаявших льдовключений. Так как при циркуляции горячей воды по скважинам

происходит прогрев массива во всем объеме в пределах зоны разог рева, то создаются условия для использования природной влаги мерзлого массива, распределенной в 5 этом объеме, для равномерного увлажнения его и связывания пыли в нем.

Обрушение скважин внутри массива не является препятствием для движения жидкости в обход места обрушения и по пути 10 движения ее к соседней скважине системы. С целью повышения производительности труда вместо емкости с водой или рассолом может быть установлен парогенератор и туманообразователь, в котором носителем

15 энергии служит пар, диспергируемый жидкостью рассол, а прогрев и увлажнение массива производят паром или рассолопаровой смесью. В этом случае продолжительность обработки массива сокращается.

0Изобретение позволяет повысить эффективность гидрообработки массива за счет более продолжительного и более интенсивного воздействия на массив через за- кольцованные сквозные скважины

5 теплоносителем с оптимальной концентрацией соли. Оно позволяет снизить запыленность воздуха в сравнении с известными в 2-10 раз и значительно повысить производительность труда при выемке массива.

0 Повышение безопасности и производительности труда горно-рабочих происходит за счет ослабления массива и обеспечения равномерности увлажнения и использования адгезионных и конденсационных про5 цессов в массиве при его разогреве с одновременным увлажнением.

Формула изобретения Способ гидрообработки горного массива, включающий бурение сквозных сквэ0 жин, соединение их между собой на входе и на выходе, герметизацию скважин и нагнетание, в них теплоносителя по замкнутому циклу, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности гидрообработки

5 в условиях мерзлого массива за счет равномерного и глубокого прогрева массива с одновременным увлажнением, на выходе скважин создают подпор, а в качестве теплоносителя используют подогретый рассол

0 или его пар с концентрацией соли, определяемой из математического выражения

п 0,5 щ ( 1 + - ) ,

ГПр

где nt - концентрация соли, определяемая 5 из диаграммы фазового состояния данной системы рассол - лед для данной температуры горного массива, тл - льдистость горного массива, кг/т; тр - удельный расход жидкости при нагнетании, кг/г.

/////////////////////////////////////s

б

/////// //////// ///У У////////

Изобретение относится к горной промети и м.б. использовано для создания безопасных и комфортных условий при подземной и открытой разработке угольных и породных массивов. Цель - повышение эффективности гидрообработки в условиях мерзлого массива за счет равномерного и глубокого прогрева массива с одновременным увлажнением. Бурят сквозные скважины и соединяют их между собой на входе и на выходе. Герметизируют скважины и нагнетают в них теплоноситель по замкнутому циклу. В качестве теплоносителя используют подогретый рассол или его пар с концентрацией соли, определяемой по математической ф-ле. Способ позволяет снизить запыленность воздуха в 2-10 раз и значительно повысить производительность труда при выемке массива, а также обеспечить равномерность увлажнения массива. 5 ил.

///////л////////////// /////////.

/

8

X //xX /////VXXXxV //r///

1267

Фиг 1

////////////У//////////////////////////

фиг. 2

//////.

3

/

Фиг 4

-55

10 15 20 75 30 35 4(7

Нонцечглраццр «Ј

Фие 5