Способ волнового воздействия на горный массив Советский патент 1992 года по МПК E21F5/00 

Недостатком этого способа является повышенная опасность возникновения газодинамического явления, обусловленная необходимостью внедрения в особоопасную зону угольного массива. Кроме того, в рассматриваемом способе не известна эффективная глубина установки средств волнового воздействия в горный массив. Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности вол новой обработки призабойной части пласта за счет установления оптимального места заложения средств воздействия 0 массиве, Поставленная цель достигается тем, что в способе, предусматривающем волновое воздействие на горный массив и включающем в себя бурение скважин в кутках и по длине забоя, установку в них средств воздействия и волновую обработку массива предварительно в забое во вмещающих плает породах, устанавливают сейсмодатчики и подключают их к сети усилителя сигналов и анализатора спектра, например С4-48. Затем вблизи сейсмодатчиков, в еер хней опасной пачке угольного пласта, поинтервально бурят контрольную тарировочную скважину на прогнозируемую глубину и осуществляют в каждом прогнозном интервале определение спектров сейсмосигналов, применяемых датчиком от бурения скважины. Поочередно для каждого интервала подлине пробуренной скважины строят спектрограммы и по мере появления в спектрах новых более высокочастотных пиков определяют глубину заложения зон расслоения слоев пород кровли пласта. Расстояние от кровли пласта до расслоения пород определяют по формуле (ф , 2л: cos 1+-, hn -2. где (р arccos(2,5q |Р1 (1-fVy)(1-2Vy)hy A 22,273i/1 + 0,605 - + -Lr ; fc - зарегистрированная собственная частота колебаний породного массива; /Эп Еп Vn УП - соответственно плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и коэффициент неупругого сопротивления пород; hy, Еу, V - соответственно мощность, модуль упругости и коэффициент Пуассона угольного пласта; I, b - размеры площади пустоты расслоения. В очистном пространстве подработанная часть горного массива поддерживается не только обрушенными породами или, например, закладкой, но и крепью, бутовыми полосами, невынутым углем (целиками). Слои пород кровли не теряют связи с остальным горным массивом, опускаются не в виде отдельного блока, а прогибаются подобно перекрывающей очистное пространство (выработку) мощной плите, частично опираясь на заполненную выработку разру-. шенным породным материалом (ложная кровля, вывалы и пр.). Весьма существенная часть нагрузки передается породными слоями кровли, сцепленными между собой, на краевую зону угольного пласта. Причем зависающая породная консоль может опираться на обрушенные породы с образованием свода обрушения со сводообразным защемлением и без опоры на обрушенные породы. Каждому горно-технологическому типу пород и каждой используемой технологии присущ свой тип зависания породной консоли в очистном пространстве. Так, например, если зависающая породная консоль опирается на обрушенные породы с образованием свода обрушения (без закладки), то это оказывает благоприятное действие на состояние кровли в лаве с точки зрения ее устойчивости. Но при этом существенно увеличивается момент защемления пласта, и,, как следствие, повышается выбросоопасность угольного массива. В слоях пород непосредственной кровли над очистным забоем происходит упругбпластическое деформирование масс1/гва в виде упругого прогиба консольно зависших или находящихся под действием сил трения отдельных участков слоев пород с последующим их-отрывом и скольжением отдельных породных блоков по вновь образовавшимся или ранее существующим поверхностям разрыва. Обычно отрыв породных блоков непосредственной кровли происходит по трещинам разрыва (при изгибе) или среза в зависимости от того, будет ли раньше достигнут предел прочности на растяжение при изгибе (например, в верхней части слоя).

или предел прочности пород кровли на сдвиг в зоне сжатия. Обрушение породных консолей происходит через определенные интервалы, равные обычно шагу посадки основной кровли, причем обрушения происходят обычно в виде отрыва породных блоков непосредственной кровли и затем внезапной посадки основной кровли в конце консоли. Слои пород основной кровлиискривляются под очистным забоем не так сильно, как, например, более нижние слои или непосредственная кровля. Эти слои пород прогибаются без нарушения сплошности (без разрывов), но в.них иногда за счет соскальзывания по поверхностям тектонических или других нарушений могут иметь место разрывные смещения.

С удалением от забоя вглубь массива в зонах перехода областей сжатия к растяжению происходит расслоение пород, особенно че1;ко это проявляется в зонах контактов пород с различными свойствами, например на поверхности контакта песчаника с глинистым сланцем. В этом случае верхние слои прогибаются в меньшей степени, чем нижние. между ними может произойти расслоение, т.е. образование пустот, которые затем по мере перемещения забоя вновь закрываются. Поскольку каждый породный слой не только является податливым основанием для вышележащего слоя, но и на нижележащий, то пустоть между--слоями пород располагаются таким образом, что, чем выше над пластом находится расслоение, тем больше оно удалено от забоя. При этом в образующихся пустотах скапливается газ, а под полостью в породном слое и в угольном пласте за счет сжатия массива образуется зона повышенного напряженного состояния. Наличие зон расслоения породного массива приводит к повышению газодинамической опасности угольного пласта. Для снижения выбросоопасности в призабойной зоне пласта щ первую очередь необходимо разупрочнить породный слой непосредственной кровли пласта. Это можно осуществить путем волнового воздействия на слои пород между углем и расслоением. При этом, чтобы определить ориентацию скважин, предназначенных для установки средств воздействия на массив, необходимо знать координаты пустот расслоения пород. Наиболее приемлемым, а в большинстве случаев и единственным способом оценки сплошности массива является вибросейсмический метод В предлагаемом способе возбуждение упругих колебаний в породах кровли осуществляется посредством бурения скважин в. угольном пласте. В процессе бурения скважин в

породах кровли, где расположено расслоение, от изгиба слоев пород имеют место колебания, параметры которых зависят и от расстояния между пластом и расслоением. При этом, когда основная резонирующая частота этих колебаний попадает в диапазон спектральной плотности импульсов от бурения, то всплески частотно-амплитудных характеристик определяют расположение породного расслоения.

Для определения расстояния от кров/1И пласта до расслоения на основе регистрации собственных частот колебаний слоя пород, расположенного между кровлей и расслоением, принимают следующую модель расчетной схемы (фиг. 3). Слой пород непосредственной кровли под полостью защемлен ижестко сцеплен с угольным пластом. Угольный пласт, лежащий ниже породного слоя, считают несжимаемым и в сочетании с породами, залегающими в почве, его рассматривают как однослойное упругое основание. Породы, слагающие горный массив, являются од+ ородными, изотропными и обладают как упругими, так и неупругими свойствами, Следует отметить настоятельную необходимость учета неупругих свойств пород, поскольку расчет основывается на регистрации собственных частот в натурных условиях, где значительное влияние на собственные частоты оказывает внутреннее сопротивление средь, в значительной мере обуславливающее затухание колебаний. ,

Частота собственных колебаний Г1литы, сцепленной с упругим основанием с учетом внутреннего трения пород определяется зависимостью

Ко + D Fik

(2) /Onhn

где Ко, D - соответственно жесткость основания и плиты;

УП , РП - коэффициент неупругого сопротивления и плотность породного слоя; hn-высота плиты;

4

AF-Ag

-Ь

-Ь2

(3)

|2Ь2

ь

где 1, b - длина и ширина плиты;

Ajk-параметры балочных функций, зависящие от вида закрепления краев плиты.

В случае жесткого сцепления плиты с основанием жесткость основания равна (1 -Vo)Eo (1+Vo)(l-2Vo)rio где Vo , Ео. ho - соответственно коэффициент Пуассона, модуль упругости и мощность 5 подстилающего слоя. Жесткость плиты определяется соотношениемP En hK 12(1-t) где En, Vn - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала плиты.is Поскольку плита защемлена по всему контуру, то параметры балочных функций А| и Afe , равны и определяются соотношением.20 Д /Ik А 22.273 У t +0,605-L + -L . Учитывая равенство параметров „с Я| и Ak выражение (3) можно преобразовать к виду:

Fi, F :Af-i+ V

(7) Tik - г - л о т о Таким образом, если принять все характеристики подстилающего слоя Ко, ho. Ее, Vo за характеристики угольного пласта Ку, hy, Еу. Vy , а размеры поверхности плиты I, b за размеры площади пустоты расслоения, то. используя зависимости(2), (4) - (7). нетрудно определить расстояние от кровли, почвы пласта до расслоения пород, которое соответствует в формуле (2) высоте плиты hn. Определяют из уравнения (2) hn. После несложных алгебраических преобразований получают следующее уравнение: h г2 1 On Ку ,д Пп Тс - и , (о) 1 1 -f 12 (1 -v2n) Чтобы решить кубичное уравнение (8), прежде всего приводят его к каноническому виду ние урав мин

Проанализировав неравенство (14), после несложных преобразований оно приводится к виду (10) -2 -1 с (9). После деления на J уравне8) примет вид hn + Phn + q 0. - рранализировад число и знак решений нения (11), определяют знак его дискринta-()Н) V 6.8 К dn F Анализируя порядок возможных численных значений параметров, входящих в неравенство (15). получают, что левая часть неравенства (15) по модулю больше правой. Следовательно D 0. Учитывая это. а также и то. что значение параметра Р в уравнении (11) О, а q О приходим к выводу, что уравнение (11) имеет один действительный положительный корень (отрицательные действительные корни физического смысла не имеют)} который выражается формулой (9) hn -2Rcos , (16) R(signg)(17) cos (p -г . 2R Учитывая, что sig n q 0, и подставляя (17) в (18) и в (16), получают, что решение кубического уравнения (8) имеет вид

h, -2Vl3cos(f+). (19)

- 3/2

где arccos (2,5 q IPI) (20)

Таким образом, зная собственные частоты изгибных колебаний слоя пород непосредственной кровли, лежащего на угольном пласте, а также их свойства, по формулам (1, (20) с учетом (4) - (13) нетрудно рассчитать глубину залегания пустот расслоения.

В рассматриваемом способе следовало бы при анализе группы основных операций выделить следующие приемы и признаки, в частности условное разбиение тарировочной скважинь по ее длине на прогнозные участки, регистрацию сейсмосигналов и определение их спектров при бурении тарировочной скважины, определение мощности слоев пород кровлм, между которыми располагаются расслоения, а также другие признаки. Виброволновее воздействие на выбросоопасный пласт с применением совокупности признаков становится менее трудоемким, более безопасным и значительно эффективнее, следовательно, предложенная совокупность признаков направлена и обеспечивает достижение цели изобретения.

На фиг. 1 приведена.схема осуществления способа; на фиг. 2 - спектрограммы сейсмосигнала; на фиг. 3 - расчетная схема.

На фиг. 1 показаны угольный пласт 1, пласт 2 породы почвы, призабойное (рабочее) пространство 3, Забойная крепь 4 с призабойным конвейером, обрушенные породы 5 в очистном пространстве, слой 6-8 пород непосредственной кровли, основная кровля 9, контрольная (тармровочная) скважина 10 в угольном пласте, а также пустоты и расслоения между слоями 11-13 пород кровли.

На фиг. 2 показаны спектрограммы зарегистрированного при бурении тарировочной скважины сейсмосигнала после пропускания его через усилитель и анализатор спектра..

На фиг. 2 показаны амплитудно-частотные характеристики сигналов (АЧХ) в момент времени бурения скважины 1, в точке К: а - АЧХ в момент бурения скважины в точке а: б - в момент бурения скважины в точке б; в - в точке в. Кроме того, цифрами отмечены всплеск (пик) 14, соответствующий собственной частоте угля, пик 15, соответствующий собственной частбте породного слоя, расположенного между пластом и первым расслоением 11, 16 между первым 11 и вторым 12 расслоениями, 17 - между вторым 12 и третьим 13 расслоениями.

Способ осуществляется следующим об5 разом.

Пусть на шахте отрабатывается выбросоопасный угольный пласт мощностью 1 м, залегающий под углом 12°. Непосредственная кровля пласта 1 представлена сланцами

0 6-8 с углистыми прослойками общей мощностью 6,4 м. Выше залегает песчаник 9 мощностью 12 м. Почва пласта 2 представлена песчаным сланцем мощностью 2,5 м. В забое выработки во вмещающих породах

5 (кровле) устанавливают, например, один сейсмодатчик. Затем подключают его к тракту шахтной сейсмосистемы. После наладки сейсмосети осуществляют забойные работы, причем сейсмосигналы регистрируют на магнитной ленте. С помощью бурового инструмента буровым электросверлом типа СЭР-19, начинают бурить контрольную тарировочную скважину диаметром 42 мм на необходимую прогнозную глубину. Примем глубину скважины равной 25 м. По мере бурения скважины в угольном пласте осуществляется периодическое, например через 0.5 м, построение спектрограмм генерируемого в массиве сейсмосигнала. По мере уг0 лубленияскважиныхарактер

сейсмосигнала изменяется, в спектрограммах начинают появляться дополнительные пики (фиг. 2, о, а. б. в). При этом каждому появлению нового пика соответствует новая

5 полость расслоения породного массива (фиг. 1,11, 12,13). Точки а, б, в на скважине, в которые проектируются точки а,б,в и соответствуют глубине расположения относительно забоя образующихся расслоений

0 пород.

Если пики на спектрограммах (фиг. 2, цифры 14-17) соответствуют следующим значениям собственных частот: 100, 250, 350 и 500 Гц, то, имея эти данные и зная

5 осредненную скорость волн в массиве (пусть V 1400 м/с), по формуле (1) определяют мощность каждого рассматриваемого расслоения между породными слоями. Размеры зон расслоений по длине I и ширине b

0 устанавливают посредством дополнительного прозвучивания массива. Поскольку при длине лавы 100 м, при наличии целиков двух бутовых и чураковых полос, а также соответственно двух зон влияния бутовых полос на

5 процесс конвергенции вмещающих пласт пород, длина участка невлияния будет порядка 15-25 м. Следовательно, полость будет при рассматриваемых условиях длиной 8-12 м. Примем I 10,0 м, ширину полости b (вглубь массива) примем из следующих соображений: шаг обрушения (или шаг волны Вебера) 30 м. а полушаг 15 м. Тогда зона повышенных нагрузок будет b 5Л м. Для более темного определен ия можно использовать специальное прозвучиеание массива. Пусть пороД|Ы кровли, представленные сланцем, имеют спедующие физико-механические характеристики: плотност /Эп 2.5 10 кг/м. модуль упругости Еп 1ыМПа. коэффициент неупругрго сопротивления i(fQ,5, коэффициент Пуассона уп 0,25. Угольный пласт имеет следующие характеристики: мощность Ну 1 м. модуль упругости Еу 10 МПа, коэффициент Пуассона Vy 0,2. Площадь расслоения имеет следующие размеры I 10 м, b 5 м. Производят определение расстояний hn до зон расслоения массива, соответствующих пикам собственных частот 14-17 на спектрограмме (фиг. 2). Приводят конкретный пример расчета для значений собственных частот fc ТОО Гц (фиг. 1. ), (фиг. 2, цифра 14). Поставляя численные значения параметров в зависимости (1), получают 0,94 : 1 j.i 1 + ( безразмерная ); 12(1 -г) 0.09 10 (Па); 12(1-0.25) )Ey

14-0,

22.273

(безразмерная);

Р.,Эд. (,.Q4

И .h

lO

Размерность F будет

- 3/2

- arccos (2.5 g I p I)

arccos (2.5 0.5 10 0,77)

arccos (0,96 10) « arccos 0 f;

} arccos - I рад;

L tjT-i

M

.„ -г/ |Гсоз(|.)

55

-2fjf;os(f.f) (. J м4 + M Й)Ё1 100 2.5-10 3- . ft c. . щЗ dhF 0.94-0,09-10 to .2. тределяют размерность Р 1,1 10 n 0.09 V10 25 то . 0,5 10. змерность q 0.77; (VfPl) (P) .. . - 3/2т1 ir -2 0,6 (-0.87) 1. Размерность hn будет hn V Таким образом, расчет показывает, что расстояние от угольного пласта до определенного расслоения будет 1 м. Пусть значения hn для других частот будут 2. 3,5 и 5 М. Установив месторасположение полостей расслоений относительно угольного массива, бурят скважины, наг ример, диаметром 100 мм в наиболее мощный слой. Заряд ВВ размещают в скважину в середине между зонами расслоений и осуществляют торпедирование вмещающих пород. Скважины для торпедирования бурят перпендикулярно линии забоя. Расстояние между скважинами принимают порядка двух радиусов эффективного влияния торпедирования. С целью уменьшения трудозатрат на построение спектрограмм их строят по мере перемещения очистного забоя лишь начиная с расстояния I (0,7-0,8)30 - 21-24 м от забоя. После торпедирования вмещающих пласт пород и по прошествии времени ретордации пород определяют уплотнение зон расслоений и осуществляют виброволно,вое воздействие на угольный пласт, устанавливая виброисточники до зоны максимума начальной скорости газовыделения, определенной после релаксирования массива от торпедирования. Осуществляют контроль эффективности применения способа. Цикл выполнения предлагаемого способа закончен, осуществляют выемку угля. Предложенный способ волнового воздействия на горный массив имеет более высокую эффективность и безопасность. Кроме того, использование данного способа целесообразно ведении горных работ по выемке выбросоопасных пластов, особенно при мощных и прочных вмещающих породах. Формула изобретения 1. Способ волнового воздействия на горный массив, включающий бурение скважины в кутках и по длине очистного забоя, установку в них средств для осуществления волнового воздействия на массив, от л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения эффективности волновой обработки и снижения выбросоопасности угольного пласта за счет установки указанных средств в зоне оптимального воздействия на выбросоопасность массива, предварительно устанавливают зону развития растягивающих напряжений в массиве, после чего из забоя выработки бурят шпуры во вмещающие породы почвы и кровли и размещают в них сейсмодатчики, подключают их к сети шахтной сейсмостанции, в верхней пачке угольного пласта поинтервально бурят тарировочные скважины на глубину развития зоны опорного давления, производят на каждом интервале измерение спектров сейсмосигнала и строят для каждого интервала спектрограммы, при этрм по наличию пиков в спектрограммах, полученных при помощи сейсмодатчиков, установленных в кровле пласта, определяют расположение зон расслоения пород кровли. а по спектрограммам, полученным с помощью сейсмодатчиков, установленных в почве пласта, определяют зоны разломов и расслоений пород почвы, по результатам сейсмопрозвучивания массива фиксируют размеры площади пустот расслоения, причем расстояние от кровли или почвы пласта до расслоения пород определяют по зависимости .„ -2)Ге„з:(|.), где (р arccos(2,5q |Р| ): €рп . F „ . En п . On - Щ 12 (-)«) (1-Уу)Еу . «, /1 о л, ч к л y-(i+vy)()hy г г + 0,605 - + -Ч я 22,273 b b fc - зарегистрированная собственная частота колебаний породного массива; /эиЕп.Уп.Уп - соответственно плотность, модуль упругости, коэффициент Пуансона и коэффициент неупругого сопротивления пород;

hy. Еу,, Vy- соответственно мощность, модуль упругости и коэффициент Пуансона угольного пласта:

t. b - размеры площади пустоты расслоения,

скважины для установки средств воздейст- ВИЯ бурят на глубину зоны расслоения пород, размещают в них средства волнового воздействия на участках этмхскважин, соответствующих проекции на скважину зоны расслоения пород, и осуществляют волновое воздействие на массив.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что при ведении горных работ в зонах повышенной газодинамической опасности дополнительно бурят скважины в зоны расслоения вмещающих пород, устанавливают в скважинах заряды ВВ в наиболее мощном

слое пород между расслоением в месте соединения воображаемой прямой центральных частей смежных расслоений, ограничивающих указанный слой пород,

производят торпедирование пласта, а затем волновое воздействие на массив.

3, Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения трудоемкости работ, регистрацию сейсмосигнала втарировочной скважине производят периодически в зонах ожидаемого расслоения пород, расположенных на расстоянии от забоя выработки, определяемом из выражения I (0,7-0,8) Lui.o. где 1ш.о. - величина

ожидаемого шага обрушения пород основной кровли пласта в данном забое, определяют по спектрограммам сдвижение вмещающих пород и уплотнение пустот после торпедирования и после уплотнения пустот осуществляют волновое воздействие на массив.

Изобретение относится к горной промети и м.б. использовано при подземной разработке угольных пластов (УП), опасных по газодинамическим явлениям. Цель изобретения - повышение эффектив«ости волно-- вой обработки и снижение выбросоопасности УП за счет установки указанных средств в зоне оптимального воздействия на выбросоопасность массива. Во вмешающие породы в кутках и по длине забоя бурят скважины и устанавливают вних сейсмодатчики. которые подсоединяют к шахтной сейсмостанции. В верхней пачке УП поинтервально бурят прогнозную скважину и при помощи сейсмокаротажа определяют размеры и расстояния до зон расслоения в кровле и почве УП. Скважины для размещения средств вибровоздействия бурят на глубину расслоения пород. Сами средства устанавливают на участках скважин, соответствующих проекции на скёажи- ну зоны расслоения пород, и осуществляют волновую обработку массива. В зонах с повышенной газодинамической активностью дополнительно бурят скважины во вмещающие породы, размещают в них заряды ВВ. торпедируют УП и затем производят волновое воздействие. При этом волновое воздей- ртвие осуществляют после уплотнения пустот в результате ретардации деформации пород после торпедирования. Приводятся зависимости для определения расстояний от кровли и почвы УП до зон .расслоений и.от забоя выработки до зоны . расслоения. 3 ил.(Лс^ .i..;»4>&^„«лО О''/' ' ' .Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке выбросорпасных пластов.Известен способ борьбы с выбросами, вкл1рчаюи4ий бурение в аабое выработки скважин. устаное1$у в них вибраторов и воздействие на массив виброимпульсной нагрузкой [1].Недостатком известного способа является то. что при воздействии на массив виб-роимпульсной нагрузки трещинообразова- ние в зоне опорного давления недостаточно равномерно, а следовательно, эффективность виброобработки низкая.Наиболее близким к предлагаемому является способ, включающий бурение в угольном пласте скважин в кутках и по длине забоя выработки, установку в них. виброисточников и волновую обработку пласта [2].

.

J 2 3

411 /J/v

/23 4 y./,%

-УйГ