Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пластов Советский патент 1992 года по МПК E21C41/18 

Недостаток известного способа в том, что продолжительность химической реакции с цементирующим веществом пород кровли длительна - не менее суток. Кроме того, применение таких жидких хи мреагентов (кислот, щелочей) не отвечает санитарным требованиям при подземной разработке полезных ископаемых.

Цель изобретения - снижение трудозатрат, повышение эффективности процесса разрушения пород и безопасности работ по управлению горным давлением.

Цель достигается тем, что в способе разупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пластов, включающем бурение скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного штреков и разрезной выработки, герметизацию и нагнетание в скважины рабочих жидкостей с реагентами, в качестве реагента используют сжиженную двуокись углерода в оболочках с разрушаемой мембраной, которые помещают в скважины перед их герметизацией. тарируют мембрану на давление, превышающее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород, при этом разупрочнение труднообрушаемой кровли осуществляют за счет воздействия сжиженной двуокисью углерода на рабочую жидкость и энергии фазового перехода жидкости в твердое состояние.

Предлагаемый способ отличается от известного принципиально новыми средствами достижения цели, т.е. разупрочнения труднообрушаемой кровли, в основе которых использованы физические процессы превращения сжиженной двуокиси углерода в газообразное состояние и воды в лед, сопровождающиеся понижением температуры до (-50-56)°С. При этом происходит быстрое расширение образующегося льда, способного при минус создать избыточное давление в 113 МПа (ИЗО кгс/см), многократно превышая предел прочности на сжатие наиболее крепких песчаников и известняков.

При снижении температуры льда от (-10) до (-20)°С его избыточное давление мгновенно возрастает до 197 МПа (1970 кгс/см, что гарантирует быстротечное разупрочнение труднообрушаемой кровли, даже состоящей из крепких песчаников или известияков, имеющих коэффициент крепости f 10 по шкале проф. М.М.Протодьякова.

Оболочки с сжиженной двуокисью углерода, помещаемые в пробуренные скважины до нагнетания в них жидкости через

уплотняющее устройство (затвор), рассчитаны на избыточное давление, в 2,5-Зг раза превышающее давление нагнетаемой жидкости. При этом мембрана в горловине оболочки, Обеспечивающая при ее срабатывании ускоренной выход сжиженной двуокиси углерода из оболочки в скважину, предварительно заполненную водой под давлением 0,3-0.5 МПа, срабатывает при условии PI Р2 Рз(см.фиг.4). где Рз 0,3-0.5 МПа давление жидкости (воды) в скважи|1ах при срабатывании мембраны; Ра - давяёние на которое рассчитана мембрана; Pi - давление сжиженной двуокиси углерода в оболочках при соответствующей температуре вмещающих пород.

На фиг: 1 изображена скважина, вид в плане; на фиг. 2 - продольный разрез одной из серии скважин; на фиг. 3 - перекрытие контуров влияния скважин; на фиг. 4 - схема реализации способа.

На этих фмг. 1-4 обозначены вентиляционный 1 и откаточный 2 штреки, проводимые с подрывкой кровли в границе выемочного участка от уклона 3 и его ходка 4 (фиг.1). Нд границе выемочного участка между штреками 1 и 2 проходит разрез 5 для интенсивной отработки лавы обратным ходом.

Для первичной и последующей посадки (фиг.2) труднообрушаемой кровли 6 мощно стью глн, залегающей над угольным пластом Шу. в кровле разреза 5 и штреков 1 и2 бурят наклонные скважины 7 на расстоянии друг от друга, равном не более 2R (фиг.З), где R эффективный радиус проникновения нагнетаемой под давлением РЗ жидкости (вО ды по естественным природным трещинац пород труднообрушаемой кровли. Общи естественных (природных) трещи1|| составляет Шо 8-11% от эффективного объема породного цилиндра, равног 2яК гпн (фиг-4).

Быстрое разупрочняющее действие проявляет расширяющийся при температуре до (-10)0 лед, создавая избыточное дав1 ление 113 МПа (113-10 Н/м}, многократно превышающее предел прочности наиболее крепких песчаников и известняков.

На фиг. 4 изображена одна из серии скваж14н 7, пробуренных до начала обратной отработки лавы, расстояние между которыми не должно превышать 2R с тем, чтобы искусственно создать по штрекам 1,2 и разрезу 5 (фиг. 1-2) П-образный контур принудительного разупрочнения труднообрушаемой кровли мощностью гпн для первичной и последующих посадок, исключая опасное зависание пород кровли.

Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли осуществляют следующим образом. До нагнетания воды в скважины 7 засылают по одной или несколько оболочек 8 (фиг.4) со сжиженной двуокисью углерода (С02), находящегося при 0-5°С под давлением PI. Оболочки 8 в горловине имеют мембрану 9, способную выдерживать давление менее Ра сжиженной СОа и срабатывать при избыточном давлении С02 более Р2.

После досылки в скважины 7 оболочек 8 до нагнетания воды скважины 7 запирают затворами 10, имеющими Обратный клапан 11, зажимной штуцер 12 с уплотняющей шайбой 13 и нагнетательным шлангом 14, соединенным с напорным насосом (не показан). После того, как серия пробуренных скважин загерметизирована, а очистной забой отошел от разреза 5 (фиг.1) на 5-10 м, на откаточном 2 и вентиляционном 1 штреке производят удаление арочной крепи (условно не показана) на участках от линий 5 до линии 5 (фиг.1). После зтого в скважины 7 (фиг. 1) производят одновременное нагнета,ние воды при помощи напорного насоса (условно не показан). Лод действием избыточного давления воды от сквжины 7 в радиусе R проникает в природные трещины 7 (ф14г.4), общий объем которых составляет 8-11% от объема 2jrR шн N, где N количество скважин, одновременно участвующих в разупрочнении труднообрушаемой кровли. Оболочки с сжиженной СОг постоянно хранят в специальном переносном контейнере с минусовой температурой (..

С момента досылки оболочек в скважины происходит повышение температуры оболочки до температуры боковых пород +20 -25С. При этом избыточное давление в оболочках повышается, что приводит к разрыву мембраны и выходу С02 в скважины.

Сжиженная С02, выходя из оболочек 7 при адиабатическом расширении, быстро превращается и сжиженного в газообразное состояние, поглощая теплоту у воды, заполняющей скважины 7 и природные трещины 7 в радиусе R (фиг.4). За счет адиабатического расширения С02 происходит резкое понижение температуры воды в скважинах и природных трещинах в радиусе Я (фиг.2). При зтом происходит быст рое снижение температуры до минус 10°С образовавшегося льда с его расширением, способным даже при температуре минус 10°С создать избыточное давление в 113 МПа,многократно превышая предел прочности наиболее крепких песчаников и известняков.

Koличecfво необходимой сжиженной углекислоты определяется по формуле

.(TI to)+A + C (Т2 -TO)

1ПС02 Q:o2 (Та - tg) + Lco2 + cfco2 (Т2 - тз)

где mt - масса воды; Ci - удельная теплоемкость воды; TI - начальная температура воды; Л-удельная теплота плавления льда; То - температура образования льда; Та- Температура льда; Ссо2 - удельная теплоемкость жидкой фазы углекислого газа;

Тз - температура перехода из жидкой фазы СОа в газообразную;

tco2 теплота перехода СОа из жидкой фазы а. газообразную;

Ссо2 удельная теплоемкость raia

СОа;

mcoa масса углекислого газа в жидкой фазе.

Количество сжиженного углекислого га определяется в зависимости от количества аоды, нагнетаемой а скважины.

По мере отхода лавы в направлении от 5 к 5 (фиг.1) указанные операции повторяют

с удаламием арочной крепи на штреках 1 и

2, что обеспечивает равномерное (через 2030 м) обрушение к{ювли вслед за интенсивнрй отработкой лавы обратным ходом, исключая опасные последствия, связанные с зависанием труднообрушаемых пород

кровли.

Изобретение обеспечивает следующие преимущества; отсутствие сложных и дорогих машин и механизмов; безопасность используемых технических средств, кроме

ТОГО, предлагаемый способ исключает вынужденную задержку спуска работающих в шахту, связанную с торпедированием труднообрушаемой кровли или химическим ее разупрочнением.

Ожидаемый экономический зффект достигается за счет исключения регрессивных исков, связанных с имевшими место взрывами газа и угольной пыли и гибелью шахтеров в результате проникновения пламени

по природным трещинам в за газированное метаном выработанное пространство лавы при торпедировании труднообрушаемой кровли: повышения на 10% суточной добычи § комплексно-механизированной лаве

(среднесуточный план - 700 т) в результате странения простоев лавы при внедрении предлагаемого способа. Это обеспечит месячный прирост угледобычи 70 х 25 дн « 1750 т. При средней себестоимости угля 25 руб за 1т- годовой экономический эффект по одной

шахте от внедрения предлагаемого способа составит 26 х 1750 х 12 мес - 546 тыс. руб. Из 600 угольных шахт в СССР с труднообрушаемыми кровлями работает 75. С внедрением предлагаемого способа на 75 шахтах СССР общий годовой экономический аффект составит в пределах 546 х 75 - 40,95 Млн.руб. при общем повышении уровня безопасности работ по управлению труднообрушаемой кровлей.

Формула изобретения Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пластов, включающий бурение скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного штреков и раз|резной выработки, герметизацию и нагнетание е скважины рабочих жидкостей с реагентами, отличающийся тем, что, с целью снижения трудозатрат, повышения зффективности процесса разрушения пород и безопасности работ по управлению горным давлением. в качестве реагента используют сжиженную двуокись углерода в оболочках с разрушаемой мембраной, которые помещают в скважины перед их герметизацией, тарируют мембрану на давление, превышающее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород, при зтом разупрочнение труднообрушаемой кровли осуц||еетвляют воздействием сжиженной двубкисыо углерода на рабочую жидкость и энергией фазового перехода жидкости в твердое состояние.

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано при разработке пологих и наклонных пластов углей и других полезных ископаемых. Цель изобретения - снижение трудозатрат, повышение зффек- тивности процесса разрушения пород и без-опасности работ по управлению горным давлением. Способ заключается в бурении скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного шфреков и разрезной пе-. чи, герметизации и нагнетании в скважины рабочих ж»1дкостей с реагентами. В качестве реагента при этом исИользуётся сниженная двуокись углерода в оболочках с разрушаемой мембраной, которые размещают в скважины перед их герметизацией. Мембрану тарируют на давление, превышающее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород. Разупрочнение труднообрушаемой кровли осуществляют за счет энергии фазового перехода жидкости в твердое состояние. При разрушении оболочки с сжиженной двуокисью углерода при температуре вмещающих пород происходит превращение рабочей жидкости в твердое состояние и ее быстрое расширение с избыточным давлением до t13 МПа. что многократно превышает предел прочности на сжатие наиболее крепких песчанникое и известняков. 4 ил.(ЛсИзобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пологих и наклонно залегающих пластов углей и других полезных ископаемых.Изве[стен способ разупрочнения труд- нообрушаемой кровли, включающий бурение скв.ажин, заряжание в них ВВ с последующим торпедированием кровли с целью искусственного ее обрушения.Недостатком известного способа искусственной посадки кровли является возмож-ность выхода пламени, из скважин по природным трещинам кровли в загазированное метаном выработанное пространство лавц, что приводит к взрыву метановоздушной смеси и угольной пыли.Известен способ разупрочнения труднообрушаемой кровли путем бурения скважин и ввода в них жидких реагентов, химически взаимодействующих с цементирующим веществом пород труднообрушаемой кровли.hOо о XI>&

17

-iiiiNiia «

Т

3

V 5