Способ дегазации угольных пластов Советский патент 1992 года по МПК E21F7/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для дегазации угольных пластов, управления состоянием и свойствами пород в массиве при отработке месторождений открытым или подземным способом.

Известен способ предотвращения выбросов угля и газа, включающий бурение скважин в кутках и по длине забоя, установку в них вибраторов и воздействие на массив виброимпульсной нагрузкой, причем бурят контрольный шпур, поинтервально определяют при его бурении скорость газовыделения и устанавливают зону максимума скорости газовыделения в каждом цикле, начиная с центральной части забоя, скважины по длине забоя бурят параллельно оси выработки за зону максимума скорости газовыделения, при этом вибратор устанавливают в зоне максимума скорости газовыделения и производят виброимпульсную нагрузку вначале в скважинах, расположенных в центральной «асти забоя, а затем в скважинах, расположенных по всему забою с частотами 0,5-0 8 величины собственных колебаний.

Известный способ трудоемок и нетехнологичен, поскольку установка вибратора по глубине скважины очень трудоемкая операция, способ не позволяет работать в выбранном диапазоне частот и осуществлять синхронизацию работы группы виброисточников, поскольку они ударного действия, т.е. порода в месте контакта с вибратором разрушается, вследствие чего упругие колебания затухают на удалении 2-3 м от вибратора, мал КПД передачи энергии упругих колебаний в горные породы и практически невозможно работать в выбранном диапазоне частот.

Известен способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважин на дегазируемый пласт, заряжание скважины протяженным цилиндрическим элементом из расширяющегося при инициировании материала, предварительное увлажнение угольного пласта, инициирование расширения элемента с возбуждением в пласте упругих колебаний и образованием новых трещин.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет вести взрывные рабосл

С

ч

ь. ь. ю

v|

ты без остановки технологических работ, взрывом возбуждают спектр частот 10-100 кГц, т.е. способ локален - первые несколько метров, взрыв невоспроизводим и требует большого объема бурения шпуров.

Цель изобретения - снижение выбросо- опасности дегазируемого угольного пласта путем увеличения равномерности гидрообработки за счет возбуждения в пласте упругих волн в диапазоне 10-1500 Гц.

Это достигается тем, что согласно способу скважины буряте шагом7-12 м, нагнетают в них горячую воду с температурой 60-80°С и с добавкой 2-3% поверхностно- активных веществ-(ПАВ), размещают в скважинах элементы из магнитострикционного материала, воздействуют на него импульсами электрического напряжения с образованием упругих волн, осуществляют в пласте контроль величины деформаций сжатия и растяжения, контролируют скорость газовыделения из пласта и концентрацию мегана в лаве, причем вначале вибровоздействия осуществляют в диапазоне 10- 1000 Гц, а при смене деформаций сжатия в пласт на деформации растяжения - в диа пазоне 1000-1500 Гц, при этом вибровоздействия прекращают в момент достижения в лаве концентрации метана, равной концентрации до вибровоздействия.

Вибровоздействие на угольный пласг осуществляют при минимальной амплитуде волны и постепенно повышают ее до значения, равного половине уровня разрушающих напряжений пласта

Нагнетание воды осуществляют с добавлением 1-2% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,5-1,0 мм и плотностью (2,6-3,2)- 106г/м3.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Способ осуществляют следующим образом.

В выработке 1, пройденной в горном массиве 2 и примыкающей к пласту 3, бурят скважины 4 глубиной 3-5 м и диаметром 200-300 мм и заполняют на 2/3 их объема редкоземельным веществом 5, обладающим гигантской магнитострикцией. вставляют в него электроды 6 и подключают их к источнику 7 импульсного напряжения. Величины и главные векторы напряжений определяют предварительно в специально пробуренных шпурах, а затем размещают в этих шпурах аппаратуру для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве до, во время и после вибровоздействия на угольный пласт 3. Затем в направлении одного из главных напряжений бурят по длине забоя угольного

пласта скважины 8, герметизируют их и подсоединяют к гидропульсатору 9. Элемент представляет собой цилиндрическое тело из магнитострикционного материала, в качестве которого используют редкоземельные вещества 5 или их соединения с добавкой 7-10% вяжущего быстротвердею- щего цемента, Элемент совершав возвратно-поступательное движение относительно

0 оси скважины при подаче импульсного на- прржения от источника 7, причем частоту, интенсивность и дли:ельность возбуждаемых упругих волн регулируют изменением величины импульсного напряжения и его

5 параметров - частоты и длительности. Скважины 4 бурят на удалении друг от друга -3 длин волн основной частогы, излучаемой при частоте 1000 Гц, и скорости Р-волн в nnacie 2000 м/с, длина волны составляет 2

0 и, т.е. скважины 4 бурят на удалении друг от друга С-10 м Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений от источника распределено равномерно, Б то время как на удалении равном или мень5 шем длины волны, оно неравномерно.

Время воздейстрия -- приведение горного массива в неудароопасное состояние при синхронной работе группы источников, регулируемое посредством электронного

0 пульта/правления 10, зависит от обводненности пласта и горного давления - веса вышележащих пород. При синхронней работе групьь1 юточников амплитуду их колебаний поднимают от минимального до мэксималь5 ного уровня, определяемого уровнем достижения в пласге напряжений, равных 0 5-0,6 от разр/шающих с таким условием, чтобы не вызывать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в пласге

0 волны сжатия и растяжения, причем в зоне разрежения упругой волны возникают гидроразрывы - мельчайшие пузырьки, заполненные газом и паром или их смесью, которые склепываются в зоне сжатия упру5 той волны. Вначале для приведения пласта в возбужденное состояние и повышение его гидра- и аэродинамических свойств воздействуют на пласт в диапазоне 10-1500 Гц и нагнетают в пласт воду с добавками ПАВ

0 2-3% при температуре до 80°С в совокупности с расклинивающими агентами с размерами частиц 0,5-1,0 мм и плотностью 2,6-3,2 г/м . Расклинивающие агенты, попадая в поры и трещины пласта, не дают им

5 закрыться, служат новыми концентраторами напряжений и содействуют увеличению трещиноеатости пласта и вмещающих пород При смене деформации сжатия дефор- мациями растяжения - достижения оптимальной проницаемости пласта - вибровоздействия прекращают и переходят на иной диапазон частот - (1000-1500) Гц для того, чтобы инициировать в пласте кавити- рующие процессы, причем время схлопыва- ния кавитирующих пузырьков и их энергию определяют из выражений

Е

Ро |л:- R3 и

Ъ-Нмин Ј-(Ј-1)- ) + максL о

-4(Ј-1)1Ь

где Ј Ro/Рмин 10; р 2 106 г/м3; Рмакс 100 МПа; RMHH 1 мм; R0 10мм.

Получим, что энергия Е 3,2 103 МПа в импульсе и время схлопываиия равно 2 10 3 с. Такие импульсные давления вызывают мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия микро- и макроударных волн и потоков флюидов, порождаемых пульсируемыми пузырьками. Кроме того, схлопывание пузырьков вызывает сильный локальный разогрев, что сопровождается в свою очередь разложением метана на атом- ные составляющие, которые обладают большей проникающей и диффундирующей способностью, поскольку уголь и вмещающие породы представляют собой молекулярное сито, в котором перерасп- ределяются скопления метана за счет сотрясений и вибраций .в выбранном диапазоне частот, а также за счет того что ПАВ выполняют работу сил расширения в пласте, вследствие чего поры и трещины в нем становятся сообщающимися. В результате возникновения кавитирующих процессов пласт подвергается интенсивному воздействию, что проявляется в разрушении отдельных пачек угля и изменении сил сцепления между ними и отдельными его пропластками.

Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований. Воздействуя на пласт вибрационными нагрузками, измеряют его напряженно-деформированное состояние, концентрацию и скорость газовыделения метана до, во время и после вибровоздействия, сопостав- ляют эти параметры и по ним судят о достигнутом эффекте - дегазации угольного пласта, что способствует снижению динамических проявлений горного давления внезапным выбросам угля, породы и газа, т.е. способствует повышению эффективности способа.

По истечении необходимого времени скважины 4 бурят в другом месте, разогревом вынимают элементы магнитоетрикци5

0

5

0 5 0 5 0

5 0 5

онного материала из скважин и используют их в другом месте оставляют на старом, если сохраняется возможность повторного использования их на угольный пласт.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок, порождаемых виброисточниками, в пласте возникают на пути распространения волн волны сжатия и разрежения. Эти волны вызывают миграцию флюидов-жидкостей и газовых компонент, имеющих место в порах и трещинах пласта, а при нагнетании в пласт нагретых растворов в пласте имеют место кавитирующие процессы, которые содействуют перераспределению поля упругих напряжений в пласте, истечению газов из пор и трещин, т.е. дегазации пласта за счет сотрясений и вибраций и раскрытия новых пор и трещин при попадании в них расклинивающих агентов. Степень развития кавитации и характер ее протекания и воздействия на пласт изменяются при варьировании в пласте газосодержания, гидростатического давления и температуры и порождает несимметричность процесса схлопывания кавитирующих пузырьков и приводит к распаду его на множество более мелких других, служащих новыми зародышами кавитирующих процессов. Кроме того, по мере удаления от источника знакопеременное давление изменяется, что в сочетании с избыточным давлением в пласте создает возможности для проявления кавитирующих процессов.

Вибровоздействия по предлагаемому способу позволяют осуществить перераспределение напряженно-деформированного состояния пласта на пути распространения мощных вибрационных нагрузок и миграции флюидов; свести к минимуму вероятность проявления динамики горного давления; создать условия для увеличения гидро- и аэродинамических связей в пласте; повысить эффективность способа дегазации.

Использование изобретения позволяет значительно снизить вероятность внезапных выбросов угля породы и газа и снизить затраты на поддержание горного давления при отработке лавы по сравнению с классическими способами дегазации угольных пластов, не использующими вибровоздействия в выбранном диапазоне частот.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения изобретения составляет 43 тыс. руб. в год.

Формула изобретения

1. Способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважин на дегазируемый пласт, заряжание скважины протяженным цилиндрическим элементом из расширяющегося при инициировании материала, предварительное увлажнение угольного пласта, инициирование расширения элемента с возбуждением в пласте упругих колебаний и образованием новых трещин, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения выбросоопасности дегазируемого угольного пласта путем увеличения равномерности гидрообработки, скважины бурят с шагом 7-12 м, нагнетают в них горячую воду с температурой 60-80°С и добавкой 2-3% поверхностно-активных веществ, размещают в скважине протяженный цилиндрический элемент из магнитострикционного материала, воздействуют на него импульсами электрического напряжения с образованием упругих волн, осуществляют в пласте контроль величины деформаций сжатия и растяжения, контролируют скорость газовыделения из пласта, причем вначале вибровоздействие осуществляют в частотном диапазоне 10-1000 Гц, а при смене в пласте деформаций сжатия на деформации растяжения-в диапазоне 1000-1500 Гц,при этом вибровоздействие прекращают в момент достижения концентрации метана в лаве первоначальной концентрации метана до вибровоздействия,

2. Способ по п. 1,отличающийся

тем, что вибровоздействие на угольный пласт осуществляют при минимальной амплитуде волны и постепенно повышают ее до значения, равного половине уровня разрушающих напряжений,

3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что нагнетание воды осуществляют с добавлением 1-2% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,5-1 мм и плотностью2,6-3,2 106г/м3.

Использование: дегазация угольных пластов при отработке месторождений подземным способом. Сущность изобретения: воздействием вибрационных нагрузок в частотном диапазоне 1000-1500 Гц в совокупности с нагнетанием горячей воды в пласт с расклинивающими агентами возбуждают в пласте акустическую кавитацию и достигают в нем раскрытия трещин, пор новых трещин, десорбции и изменения гидро- и газопроницаемости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг 2