Способ борьбы с газодинамическими явлениями при разработке угольных пластов Советский патент 1991 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам уктя и газа, имеющих пласты-спутники и характеризующихся труднообрушаемыми кровлями и крепкой почвой.

Цель изобретения - повышение безопасности и эффективности ведения работ путем обеспечения равномерного характера деформирования угольного пласта и нарушения спайки пласта с непосредственной почвой.

На фиг. 1 представлена схема подготовки и система разработки угольных пластов;

на фш 2 - сечение Л-А на фш I, на фиг 3 сечение Б-Б на фш 2, на фиг 4 схема бурения скважин для ишерения упру гнх деформаций почвы в защитной зоне, на фиг 5 схема соединения скважин с легачапнонным и высоконаиорным ставами; на фиг 6 -- схема подготовки м система разработки угольных пластов с применением спаренных лав, на фиг 7 -- сечение R-B на фиг. 6; на фиг 8 - схема наложения скважин при разработке одиночною удароопас- ного угольного пласта

По одному из вариантов реализации способа выемочный столб I подготавливают путем проведения конвейерного штрека 2 параллельно вентиляционному штреку 3, а затем отрабатывают очистным забоем 4 Впереди очистного забоя 4 расположена зона максимума опорного давления 5, зона влияния опорного давления 6, разупрочняе- мый слой -7 непосредственной почвы 8, контакт 9 разупрочняемого слоя 7 непосредственной почвы 8 с угольным пластом 10, а позади очистного забоя 4 - зона упругого сдвижения 11 непосредственной почвы 8, расположенная в зоне разгрузки 12 выработанного пространства 13. На схеме показаны граница цементации 14, зона геостатических напряжений Y 15- скважины 1C, угольные пропластки-спутники 17, заряды ВВ 18, основная кровля 19, линия 20 расположения зарядов ВВ, трещины 21 в разуп- рочняемом слое 7 непосредственной почвы 8, соответственно вентиляционный и конвейерный штреки 22 и 23 на сближенном пласте 24, дегазационный став 25, водоотделитель 26, высоконапорный став 27, забой 28 скважины, защитная зона 29, высоконапорный насос 30, манометр 31, неотработанный угольный массив 32, отработанный выемочный столб 33, запорный вентиль 34 высоконапорного става 27; запорный вентиль 35 дегазационного става 25; второй отрабатываемый выемочный столб 36, выемочные штреки 37 и 38 разрабатываемого и сближенного угольных пластов 10 и 24; неотработанный угольный массив 39, граничащий со вторым отрабатываемым выемочным столбом; НО - низконапорный трубопровод; механизированный комплекс 41 в очистном забое 4; тензодеформометр 42, измерительная скважина 43.

Способ борьбы с газодинамическими явлениями осуществляют следующим образом

С конвейерного штрека 23 и вентиляционного штрека 22 сближенного пласта 24 по мере подвигания очистного забоя 4 (фиг I - 3) в зоне геостатичегких напряжений 15 бурят скважины 16 до контакта 9 разуироч- няемого слоя 7 непосредственной почвы 8 с угольным пластом 10 Скважины 16 живают до границы 14, являющейся нижней границей разупрочняемого слоя 7 непосредственной почвы 8, цементируют у |раницы 14,

а затем заряжают зарядами 18, располагая их на контакте 9 разупрочняемого слоя 7 непосредственной почвы 8 с угольным плас- гом 10 но линии 20. параллельно очистноуу

забою 4 Заряды 18 взрывают до подхода к ним зоны влияния опорного давления 6 В защитной зоне 29, где угольный пласт 10 теряет свою несущую способность, а его непосредственная почва 8 перехолит от трех осного состояния к двухосному и прнбли жается к одноосному, поднятие непосредст .венной почвы 8 под угольным пластом 10 иЛи ее упругое восстановление, по показаниям глубинных гензодеформомстров 42, происходит с критической глубины h, которая соответствует мощности разупрочняе- мото слоя 7, определяемой соотношением

/i(0,2-0,4)/j. м

где /. ширина защитной зоны 24 угольного пласта 10, м Численное значение величины h измеряли

° но упругому восстановлению пород почвы 8 в защитной зоне 29 Задача исследований решалась путем установки глубинных тензо- деформометров 42 но длине измерительной скважины 43, пробуренной в лаве в породы

5 почвы 8 по схеме (фиг 4), показания глу.- бинных тензодеформометров 42 снимались с помощью измерителя деформаций ИИД-3. Точность измерений составляла 0,001 мм. Величина упругих деформаций в защитной зоне 29 уменьшается по мере удаления от

0 угольного пласта 10 в породы почвы 8 и стабилизируется на глубине 0,2/. и 0,4/.. соответственно до и после вторичной осадки основной кровли 19.

Расстояние между скважинами 16 вдоль выемочного столба 1 и по длине очистного

5 забоя 4 определяется из условия обеспечения равномерного разрушения непосредственной почвы 8 и образования в ней трещин 21 как параллельных, так и перпендикулярных напластованию пород.

0 Заряды 18 взрывают в зоне геостатических напряжений 15. После взрывания зарядов 18 скважины 16, пробуренные из конвейерного штрека 23 и вентиляционного штрека 22, подсоединяют к дегазационному ставу 25 и начинают дегазацию разрабатываемого пласта 10, а также пород непосредственной почвы 8 и угольных пропласт- ков спутников 17. Десорбция или переход газа метана из молекулярного в свободное состояние в зоне опорного давления 6 из

0 разрабатываемого угольною пласта 10 и углепородного массива обусловлена сдвижением пород непосредственной почвы 8 и про- пластков-спутннков 17 в резчльтате взрывания зарядов 18, созданием неустойчивого слоя 7 заданной толщины харакгеризую5 щегося повышенной технологической нару- шенностью и газопроницаемостью Трещины 21 ориентированные перпендикулярно и параллельно напластованию, служат в

слое 7 газопроводящими каналами для отсоса газа по скважинам 16.

По мере сокращения расстояния между очистным забоем 4 и ближайшей впереди него скважиной 16, используемой для отсоса газа, напряженное состояние горного массива возрастает, что приводит постепенно к закрытию в нем трещин 21, снижению газопроницаемости до минимума. При падении давления газа метана и в скважинах 16 до 1 МПа приступают к выполнению второго этапа - высоконапорному увлажнению разупрочненного слоя 7 непосредственной почвы 8 со стороны неотработанного угольного массива 32 и чередованию циклов высоконапорного увлажнения непосредственной почвы 8 и сброса жидкости и отсоса газа по скважинам 16 - со стороны отработанного выемочного столба 33.

Высоконапорное увлажнение со стороны неотработанного угольного массива 32 и чередование циклов высоконапорного увлаж нения и сброса жидкости и отсоса газа по скважинам 16 со стороны отработанного выемочного столба 33 осуществляют не менее, чем через две смежные скважины 16. Данное условие определяется зоной высоконапорного увлажнения, протяженность которой определяется из условия

/(0,3-0,5)n-D, где п - число скважин в опорной зоне:

D - диаметр скважин.

Протяженность зоны высоконапорного увлажнения определялась по появлению жидкости в очистном забое 4 или по просачиванию ее в очистной забой 4 вследствие нарушения спайки на контакте 9 между угольным пластом 10 и разупрочненным слоем 7 пород почвы 8. Высоконяпорное увлажнение производити по скважинам 16, количество которых при одновременном нагнетании в них жидкости изменяли от одной до пяти.

Для реализации высоконапорного увлажнения скважины 16, пробуренные с конвейерного штрека 23, отсоединяют от дегазационного става 25 и подсоединяют к высоконапорному насосу 30 через высоконапорный став 27. Скважины 16, пробуренные из вен тиляционного штрека 22, дополнительно подсоединяют к высоконапорному насосу 30 через высоконапорный став 27. При этом к дегазационному ставу 25 на вентиляционном штреке 22 подсоединяют водоотделитель 26.

Таким образом, с конвейерного штрека 23 по скважинам 16 осуществляют высоконапорное увлажнение, а с вентиляционного штрека 22 чередуют циклы высоконапорного увлажнения и сброса жидкости и отсоса газа. Водоотделитель 26 служит для отделения сбрасываемой жидкости по скважинам 16 от газовоздушной смеси, поступающей в дегазационный став 25. Регулировка

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

циклами осуществляется путем открывания и закрывания запорных вентилей 34 и 35 (фиг. 5). Запорный вентиль 35 дегазационного става 25 закрывают перед высоконапорным увлажнением, а вентиль 34 высоконапорного става 27 открывают. И наоборот. Перед сбросом жидкости и отсосом газа запорный вентиль 34 закрывают, а вентиль 35 открывают.

Под действием высоконапорного увлажнения происходит дополнительное снижение прочностных свойств разупрочняемого слоя 7 непосредственной почвы 8, заполнение трещин 21 жидкостью, работающей в этом случае подобно гидроклину, их раздвижка, а в зоне максимума опорного давления 5 образование дополнительных трещин 21, что приводит породы слоя 7 в этой области в псевдопластическое состояние и обеспечивает их равномерное совместно с пластом 10 перемещение в сторону выработанного пространства 13. Взрывание зарядов 18 на контакте 9 с угольным пластом 10 нарушает его спайку с непосредственной почвой 8, что способствует также и его самостоятельному перемещению в сторону выработанного пространства 13 по ширине защитной зоны 29, а такой характер перемещения угольного пласта 10 представляет глубинный отжим углепородного массива и сопровождается смещением от забоя 4 в глубину массива зоны максимума опорного давления 5 и, следовательно, увеличением ширины защитной юны 29. Отмеченные изменения физико- механических свойств пород почвы 8 исключают, таким образом, синхронные колебания вмещающих пород. Перемещению пород разупрочняемого слоя 7 совместно с угольным пластом 10 в сторону выработанного пространства 13 способствует также влияние высокого коэффициента концентрации напряжений, достигающего на удароопасных пластах 5 -8уН в зоне максимума опорного даичения 5. Этому перемещению способствует также направленное в сторону выработанного пространства 13 давление газа, переходящего из сорбированного в свободное состояние в результате трещинообразо- вания и сдвижения пород непосредственной почвы 8 и оттесняемого фронтом жидкости от зоны максимума опорного давления 5 в сторону выработанного пространства 13 для отсоса по скважинам 16

Выбор пробуренных со стороны отработанного выемочного столба 33 скважин 16 для отсоса газа в случае отработки угольного пласта 10 одинарным очистным забоем 4 (фиг. 8) определяется диффузией газовых процессов, протекающих в угольном массиве. Диффузия сопровождается выравниванием газового давления в углепородном массив по ширине отрабатываемого выемочного столба 1. Выравнивание газового давления происходит в направлении от менее

нагруженных площадей к более нагруженным горным давлением площадям пласта 10

В случае одновременной отработки выемочных столбов 1 и 36 (фиг 6, 7), т е при отработке спаренных очистных забоев 4 чередование циклов высоконапорного увлажнения непосредственной почвы 8 и сброса жидкости и отсоса газа применительно к выемочному столбу 1 выполняют по скважинам 16, пробуренным из вентиляционного штрека 22 со стороны отработанного выемочного столба 33, а применительно к выемоч- столбу 36 - одновременно по скважинам 16, пробуренным из штреков 23 и 38, т е со стороны смежного спаренного выемочного столба 1 и со стороны неотработанного угольного массива 39 В последнем случае двусторонняя раскачка углепородно- го массива обусловлена тем, что выемочный столб 36 находится в относительно равномерном напряженном состоянии по сравнению с выемочным столбом 1, граничащим с отработанным выемочным столбом 33

Высоконапорное увлажнение со стороны неотработанного угольного массива 32 (фиг 1, 2, 3, 7) и чередование высоконапорного увлажнения и сброса жидкости и отсоса газа по скважинам 16 со стороны отработанного выемочного столба 33 осуществляют не менее, чем через две смежные скважины 16

Периодичность чередования циклов высоконапорного увлажнения разупрочненного слоя 7 непосредственной почвы 8 и сброса жидкости и отсоса газа устанавливают опытным путем Периодичность чередования указанных операций определяют по формуле

/

/ 2-л-/л-т

-, мин,

где R - средний радиус влияния скважин 16, м,

(f - длина фильтрующей части скважин 16, м,

д - производительность насоса 30 высоконапорного увлажнения, м3/мин, т - относительная частота трещин эн- докливажа непосредственной почвы 8, приходящаяся на 1 м, принимается равной 0,5-0,7 при работе скважин в защитной зоне 29 и т 1 - за зоной максимума опорного давления 5

Чередование циклов высоконапорного увлажнения и сброса жидкости и отсоса газа производят в добычные смены, т е при выемке угля в очистном забое 4, а заканчивают серию чередований циклов перекрыванием скважин 16 после окончания очередного цикла высоконапорного увлажнения непосредственной почвы 8 Скважины 16 перекрывают в конце добычной смены перед началом ремонтной, т е после окончания выемки угля Начинают серию чередований циклов после окончания ремонтной смены, т е после

начала новой добычной смены, причем начинают с операции сброса жидкости и отсоса газа

После перехода очистным забоем 4 забоев 28 скважин 16 на величину не менее половины шага вторичной осадки основной кровли 19 операцию высоконапорного увлажнения разупрочненного слоя 7 непосредственной почвы 8 прекращают, и скважины 16, пробуренные как со стороны неотработанного угольного массива 32, так и со стороны отработанного выемочного столба 33, подсоединяют к дегазационному ставу 25 для отсоса газа

,- Третий вариант применения данного способа борьбы с динамическими явлениями представлен в условиях отработки угольного пласта 10 спаренными лавами (фиг 6, 7) Нагнетание жидкости в скважины 16 производят высоконапорным насосом типа

0 УГН-30, а Давление контролируют манометром 31 Скважины 16 бурят с помощью бурового станка СБГ-1М, а заряжают патронами ВВ типа № 6-ЖВ или Т 19, помещая патроны в торпеды длиной 3 м Соединение

5 отдельных торпед между собой в монозаряд, досылку монозаряда в скважину осуществляют по известной технологии выполнения гидромикроторпедирования Цикл профилактических работ по данному способу составляет 15-20 м по простиранию пласта

о На один цикл обработки пород почвы в пределах выемочного столба расходуется 72 кг Высоконапорное увлажнение производят с помощью насосов УГН, которые устанавливают на конвейерном и вентиляционном штреках 23 и 22, подсоединяя их к скважи5 нам 16

Второй вариант применения данного технического решения представлен на фиг 8 Скважины 16 в этом случае бурят вблизи угольного пласта 10 непосредственно из выработок 2 и 3, пройденных по угольному

0 пласту 10

Формула изобретения

1 Способ борьбы с газодинамическими с явлениями при разработке угольных пластов, включающий определение протяженности зоны опорного давления, бурение скважин впереди забоя за зоной опорного давления в горный массив со стороны неотработанного угольного массива и отработан- 0 ного выемочного столба до зоны контакта пород непосредственной почвы с разрабатываемым пластом, определение параметров нагнетания жидкости в скважины и радиуса увлажнения, обсадку и цементацию скважин, размещение зарядов взрывчатых веществ 5 в скважинах, формирование разупрочненного слоя взрыванием этих зарядов до подхода зоны опорного давления, подсоединение скважин к высоконапорному и дегазационному ставам, высоконапорное увлажнение, сброс жидкости газочередующимися циклами по скважинам до начала стабилизации давления газа по скважинам, дегазацию горного массива, отличающийся тем, что. с целью повышения безопасности и эффективности ведения работ путем обеспечения равномерного характера деформирования угольного пласта и нарушения спайки пласта с непосредственной почвой, предваритечьно определяют шаг вторичной осадки непосредственной кровли, ширину защитной зоны разрабатываемого пласта и относитатьную частоту трещин эндокливажа непосредственной почвы, и заряды взрывчатых веществ размещают на контакте пород непосредственной почвы с разрабатываемым пластом, а скважины обсаживают до нижней границы разупрочненного слоя пород непосредственной почвы и цементируют у этой границы, при этом высоконапорное увлажнение разупрочненного слоя непосредственной почвы производят по скважинам, пробуренным со стороны неотработанного угольного массива, а чередование циклов высоконапорного увлажнения, сброса жидкости и отсоса газа производят по скважинам, пробуренным со стороны отработанного выемочного пласта, причем начинают чередование циклов со сброса жидкости и отсоса газа, а заканчивают высоконапорным увлажнением, при этом мощность разупрочненного слоя непосредственной почвы, протяженность зо ны высоконапорного увлажнения и время чередования циклов определяют соответственно по формулам

.2 -0,,, .3-0,5i- n ),

0

5

0

t R2-n-l+-m

q

где h - мощность разупрочненно о слоя.

/, - ширина защитной юны paipafia- тываемого пласта;

п - число скважин в опорной зоне.

/ - протяженность зоны высоконапорного увлажнения;

D - диаметр скважин;

/ - время чередования циклов;

/ -- средний радиус влияния скважин,

/Ф- длина фильтрующей части скважин.

q - производительность насоса;

m - относительная частота эндокливажа непосредственной почвы.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что высоконапорное увлажнение производят одновременно не менее чем через две скважины причем высоконапорное увлажнение разупрочненного слоя и чередование циклов высоконапорного увлажнения, сброса жидкости и отсоса газа заканчивают до перехода очистным забоем забоев скважин на величину не менее половины шага вторичной осадки основной кровли, а после этого перехода производят только отсос газа

3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что чередование циклов высоконапорного увлажнения, сброса жидкости и отсоса кма при системе разработки угольных пластов спаренными лавами производят одновремен но по скважинам, пробуренным со стороны смежного спаренного выемочною столба и со стороны неотработанного уюльною массива

Изобретение относится к горной промети и м. б. использовано при разработке угольных пластов, опасных по горным уларам и внезапным выбросам угля и оза, имеющих пласты-спутники и характеризующихся труднообрушаемыми кровлями и крепкой почвой Цель изобретения -- повышение безопасности и эффективности ведения работ путем обеспечения равномерного характера деформирования угольного пласта и нарушения спайки пласта с непосредственной почвой. Впереди очистного забоя за зоной опорного давления под угольным пластом создают разупрочненный слой (PC) в непосредственной почве (НП) расчетной величины, равной 0,2-0,4 длины защищенной зоны. Для этого бурят скважины (С) до контакта пород НП с разрабатываемым пластом. Обсаживают С до нижней границы PC и цементируют у этой границы, заряды взрывчатых веществ размещают на контакте пород НП. Высоконапорное увлажнение PC производят по С, пробуренным со стороны неотработанного угольного массива. Чередование циклов высоконапорного увлажнения, сброса жидкости и отсоса газа производят по С, пробуренным со стороны отработанного одиночными или спаренными лавами выемочного столба. Начинают чередование со сброса жидкости, заканчивают высоконапорным увлажнением через две С, которые проводят одновременно не менее чем через протяженность зоны высоконапорного увлажнения и время чередования циклов определяют в зависимости от числа С, их диаметра, радиуса влияния, длины фильтрующей части С, произв-сти насоса и относительной частоты эндокливажа НП. Высоконапорное увлажнение, сброс жидкости и отсос газа заканчивают до перехода очистным забоем забоев С на величину не менее половины шага вторичной осадки основной кровли. При отработке спаренными лавами чередование циклов производят одновременно по С со стороны смежного спаренного выемочного столба и со стороны неотработанного угольного пласта. 2 з. п. ф-лы, 8 ил. С Ј (Л О5 ел 1C о

25 W 33 22 - ..-1

L ,r-k---4-

Фиг. 1

UА

33

27 25

Фиг 2

5-5

i})i } mimiiiiii iii/i///////////////////////////////////////// //,

Фиг. 3

Ь гпф

l+i

И 92991

W 22 33

25 76

Фиг.6

в-в

/

/

30 22

/

,е 75 V 2k

&///////////////////У/////

хГ

27 fO

фиг.7

J$-36

В

19

27 38 30

W

;х

гтт-у

21 iff 7 18 16

77 8

Ю 27 3D

W 2

32

Фиг 8