СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Советский патент 1994 года по МПК E21C39/00 

Заявляемое изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для управления состоянием и свойствами пород в массиве перед разрушением пород взрывом или режущим инструментом.

Известен способ разрушения горных пород, при котором бурят скважины, заряжают их ВВ, взрывают и под действием давления продуктов детонации и поля напряжений в горных породах возникают системы радиальных трещин, причем, процесс трещинообразования зависит от напряженного состояния пород в массиве (Глазков Ю. В. и др. - Исследование взрывного разрушения горных пород. //Сб. "Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве". Всес. 10-е юбилейное Совещ., Губкин, 27-29 сент. 1988. Тезисы докладов. М. 1988, с.123).

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет активно управлять свойствами и состоянием пород в массиве в зоне предразрушающего действия взрыва.

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение скважины в массиве, нагнетание через них в массив ПАВ и электролита, заряжание скважин взрывчатым веществом, и взрывание их (Эдельштейн О.А., Шоболов А.П. "Об управлении действием взрыва путем обработки горного массива растворами// (там же, стр.116).

Известный способ не позволяет активно управлять состоянием и свойствами пород в массиве в зоне предразрушающего действия, локален, действие ПАВ и электролитов находится в пределах 3-5 диаметров скважины, в которую их нагнетают.

Цель изобретения - повышение эффективности разрушения горных пород за счет изменения состояния и свойств горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу бурят дополнительные скважины, размещают в них невзрывные пневматические источники, причем, оси источников ориентируют в направлении действия максимального главного напряжения в массиве, заполняют скважины упруговязким веществом и возбуждают в массиве упругие колебания в следующей последовательности:
- с помощью пневматических источников в массив излучают колебания с частотой 60-1500 Гц
- затем частоту колебаний принимают равной собственной частоте колебаний массива и одновременно производят нагнетание ПАВ и электролита, при этом вибровоздействие производят до момента перехода деформаций сжатия на деформации растяжения
- затем частоту вибровоздействия принимают равной 60-120 Гц и производят нагнетание в массив инертного газа с заклинивающими агентами, а вибровоздействия прекращают при достижении в массиве напряжений равных 0,8-0,9 величины разрушающих напряжений.

В качестве электролита принимают додецилсульфат натрия или дистиллированную воду с 1-2% ПАВ.

Разрушаемый массив горных пород изолируют от остальной части противофильтрационным экраном.

В качестве расклинивающего агента используют частицы спекшегося боксита с размером 0,2-1,0 мм и плотностью 3400-3900 кг/м³. На фиг.1 приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - скважина для зарядки ВВ, 3; 4 - скважины 3 с размещенными в них виброисточниками 5 - компрессор высокого давления Э2у5 или ЭУ-7,6 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников, 7 - нагнетательные скважины.

Способ осуществляют следующим образом: с помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольной скважине, определяют поле напряжений и главные векторы σ₁ и σ₂ в породном массиве, где требуется вызвать колебания.

На удалении от места проведения взрыва бурят скважины 3 в горном массиве 1 диаметром Ф300-500 мм и глубиной до 12 м и размещают в них невзрывные пневматические источники 4 в один ряд, причем, направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в породном массиве, то есть источники устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения.

Максимальный диаметр и глубину скважин 3 для размещения виброисточников 4 выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная "закачка" упругой энергии в горный массив 1 и составляющая от 3 до 9% всей энергии, поступающей от компрессора 5 высокого давления - от 60 до 300 атмосфер и более. Глубина скважины 3 оптимальна величине давления упруговязкого тела на источник 4, то есть веса столба упруговязкого тела в качестве которого используют воду, мокрую буровую мелочь, мокрый кварцевый песок. Эта глубина определена экспериментально в морской сейсморазведке и составляет для диапазона 60-1500 Гц примерно 5-12 м.

Скважины 3 бурят на удалении от места проведения взрыва 5-7 длин волн основной частоты, излучаемой в массив. Исходя из условия волнового подобия при скорости Р-волн в массиве равной 3000 м/с длины волны на частоте 60 Гц = (3000 м/с)/(60 Гц) = 50 м и 1500 Гц = 2 м, что на удалении 5-7 длин волн составляет примерно 100-250 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений распределено равномерно, в то время как на удалениях меньших этих расстояний - оно неравномерно. Время воздействия - время синхронной работы группы виброисточников, определяется, зависит от обводненности горного массива и горного давления, обусловленного весом вышележащих пород и регулируется электронным пультом управления 6. Колебания вызывают в породном массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределения поля упругих напряжений на пути распространения вибрационных нагрузок и частичную дегазацию горных пород. Эти явления имеют место как при работе одного виброисточника, так и при работе группы виброисточников.

Работу виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, а именно:
- методом разгрузки с использованием тензодатчиков
- ультразвуковыми методами
- с использованием методов сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии.

Воздействуя на массив мощными вибрационными колебаниями, измеряют его напряженно-деформированное сстояние и нагнетают в породы разупрочняющие растворы, либо нагнетают в породы под давлением сжиженный газ с расклинивающими агентами, что позволяет эффективно управлять состоянием и свойствами пород в массиве, для чего изолируют локальный участок горного массива противофильтрационным экраном от остальной части горного массива, чтобы избежать утечек растворов при их нагнетании. Воздействие колебаниями на локальный участок горного массива осуществляют поэтапно:
- вначале приводят массив в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц
- затем частоту колебаний принимают равной собственной частоте колебаний массива и одновременно нагнетают ПАВ и электролит и вибровоздействия осуществляют до момента перехода деформаций сжатия в деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости пород в массиве
- затем частоту вибровоздействия принимают равной 60-120 Гц и осуществляют нагнетание в массив инертного газа с расклинивающими агентами размерами 0,2-1,0 мм и плотностью 3400-3900 кг/м³, а вибровоздействия прекращают при достижении в массиве напряжений 0,8-0,9 от величины разрушающих напряжений. В качестве электролита используют додецилсульфат натрия или дистиллированную воду с 1-2% добавками ПАВ.

По истечении необходимого времени виброисточники выключают и перемещают на новое место, предварительно пробурив для них скважины или оставляют на старом месте, если сохраняется повторная возможность воздействия на массив и достижения положительного эффекта.

Сущность изобретения состоит в том, что вибрационные нагрузки порождают в горном массиве волны сжатия и растяжения, которые действуют на флюиды - жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах массива, как тектонический насос и содействуют миграции флюидов во много раз быстрее, чем в отсутствие упругих волн, что в свою очередь сопровождается:
1. перераспределением поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов
2. дегазацией - истечением газовых компонент из пор и трещин
3. кавитирующими процессами при определенных РТ-условиях в горном массиве.

Осуществляя вибровоздействия в совокупности с нагнетанием в массив технологических растворов с расклинивающими агентами, которые не дают порам и трещинам закрыться и служат новыми концентраторами трещин и способствуют повышению проницаемости пород в массиве, управляют состоянием и свойствами горных пород в массиве в зоне предразрушающего действия взрыва или режущего инструмента, что позволяет получать более эффективные результаты разрушения горных пород после обработки горных пород ПАВ, растворами или газами.

Преимущества способа заключаются в том, что размещение источников по предлагаемому способу позволяет:
- создать оптимальные условия для возбуждения упругих волн в выбранном диапазоне частот и осуществлять закачку упругой энергии в массив в режиме накопления при неизменных контактных условиях
- улучшить гидро- и аэродинамические связи горного массива и повысить проницаемость горных пород
- управлять состоянием и свойствами пород в массиве
- повысить эффективность способа за счет снижения прочности пород.

Использование заявляемого изобретения позволит более эффективно осуществлять разрушение горных пород за счет снижения энергоемкости и управления состоянием и свойствами пород в массиве по сравнению с известными классическими способами.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для управления состоянием и свойствами горных пород в массиве перед разрушением пород взрывом или режущим инструментом. Цель изобретения - повышение эффективности разрушения горных пород за счет изменения состояния и свойств горных пород. Бурят в массиве скважины, размещают в них невзрывным пневматические источники, причем, оси источников ориентируют в направлении действия максимального главного напряжения в массиве, заполняют скважину упруговязким телом, и возбуждают в массиве упругие колебания в следующей последовательности: - сначала в диапазоне 60 - 1500 Гц в совокупности с нагнетанием в породы разупрочняющих растворов и ПАВ, - затем частоту колебаний принимают равной частоте колебаний массива и одновременно нагнетают в породы ПАВ и электролит, - после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную 60 - 120 Гц и осуществляют нагнетание в породы инертного газа с раклинивающими агентами, а вибровоздействия прекращают при достижении в массиве напряжений равных 0,8 - 0,9 величины разрушающих напряжений, заряжают скважины затем ВВ и взрывают ВВ, что позволит значительно повысить эффективность способа за чет снижения прочности пород на 20 - 60% и управления состоянием пород в массиве по сравнению с известными способами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение скважин в массиве, нагнетание через них в массив ПАВ и электролита, заряжание скважин взрывчатым веществом и взрывание, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разрушения горных пород за счет изменения состояния свойств горных пород, бурят дополнительные скважины, размещают в них невзрывные пневматические источники, причем оси источников ориентируют в направлении действия максимального главного напряжения в массиве, заполняют скважины упруговязким веществом и возбуждают в массиве упругие колебания посредством пневматических источников сначала с частотой 60 - 1500 Гц, затем с частотой равной собственной частоте колебаний массива с одновременным нагнетанием ПАВ и электролита, при этом вибровоздействие проводят до момента перехода деформаций сжатия на деформации растяжения, после этого частоту вибровоздействия доводят до 60 - 120 Гц и производят нагнетание в массив инертного газа с расклинивающими агентами, а вибровоздействие прекращают при достижении в массиве напряжений равных 0,8 - 0,9 величины разрушающих напряжений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используют додецилсульфат натрия или дистиллированную воду с 1÷2% ПАВ. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что разрушаемый массив горных пород изолируют от остальной части противофильтрационным экраном. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве расклинивающего агента используют частицы боксита размером 0,2 - 1 мм и плотностью 3400 - 3900 кг/м³.