Способ искусственного обрушения труднообрушаемой кровли Советский патент 1993 года по МПК E21C41/18 E21C37/06 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для принудительного обрушения труднообрушаемой кровли над выработанным пространством лавы или над выемочными выработками шахт с пологим и наклонным залеганием угольных пластов без применения взрывных работ (торпедирования).

Известен способ принудительного обрушения труднообрушаемой кровли, включающий бурение скважин, заряжение в них ВВ с последующим торпедированием кровли для искусственного ее обрушения.

Недостатком известного способа искусственной посадки труднообрушаемой кровли является реальная возможность выхода

пламени из скважин по природным трещинам кровли в загазированное метаном выработанное пространство лавы, что приводит к взрыву метано-воздушной смеси и угольной пыли (например, взрыв на шахте Молодогвардейская ПО Краснодонуголь в 1981 г.).

Известен способ разрушения монолитных объектов (бетон и др.) без применения взрывных работ путем бурения шпуров, последующим их заполнением хладагентом (гранулы двуокиси углерода) и теплопрово- дящими длинномерными элементами (металлическая стружка с водой с целью ускорения процесса замораживания воды и

о ю

СП

последующего разрушения монолита по линии пробуренных сверху вниз шпуров.

Недостаток этого способа в том, что в пробуренных снизу вверх шпурах труднооб- рушаемой кровли данное техническое ре- шение неосуществимо. Оно осуществимо только в шпурах, пробуренных сверху вниз, позволяющих произвести их заполнение гранулами сухого льда (твердая двуокись углерода), теплоотводящим элементом (пол- укатушка) в устье шпура.

С помощью полукатушки также невозможно герметизировать пробуренный снизу вверх шпур (скважину) и через одно из отверстий полукатушки залить шпур (сква- жину) водой до основания ребер полукатушки, исключив при этом вытекание воды из шпура (скважины).

Цель изобретения - упрощение технологии искусственного обрушения труднооб- рушаемой кровли (песчаники, известняки и др.) путем исключения взрывного воздействия (торпедирования), снижения энергозатрат и повышения безопасности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе искусственного обрушения труд- нообрушаемой кровли, включающей бурение наклонных восстающих скважин длиной, превышающей мощность обрушае- мой кровли, заполнения их теплопроводя- щим элементом, установку гидрозатворов, заполнение скважин хладагентом и водой, в качестве теплолроводяицих элементов используют медные перфорированные трубки диаметром меньшим диаметра скважин, ко- торые посекционно досылают в скважины до установки в них гидрозатворов и заполнения водой.

Сопоставление данного решения с прототипом показывает, что этот способ отли- чается от известного принципиально новыми техническими путями достижения цели, т.е. искусственного обрушения труд- нообрушаемой кровли, имеющей две плоскости обнаружения.

. В предлагаемом способе вместо металлической стружки использованы перфорированные медные трубки, что обеспечивает высокую степень теплопередачи с получением одновременно дополнительного поло- жительного эффекта, указанного в цели.

Разупрочнение и искусственное обрушение нависшей консоли кровли при наличии в ней двух плоскостей обнажения достигается использованием физического процесса быстрого превращения гранул сухого льда (твердая двуокись углерода) в газообразное состояние с температурой минус 55-56, сопровождающееся резким понижением температуры воды в шпурах

(скважинах) и быстротечным превращением ее в лед.

При этом происходит быстрое расширение образующегося из воды льда, способного при температуре минус 5-10°С создать избыточное давление в 113 МПа (1130 кгс/см2), многократно превышая предел прочности наиболее крепких песчаников и известняков.

При снижении температуры льда от минус 10 до минус 20°С его избыточного давление мгновенно возрастает до 197 МПа (1970 кгс/см2), что способствует быстротечному разупрочнению и обрушению консоли труднообрушаемой кровли по линии пробуренных шпуров (скважин) в крепких песчаниках или известняках кровли. Наличие двух плоскостей обнажения кровли способствует процессу обрушения.

Перфорированные медные трубки с хладагентом (гранулы сухого льда - твердая окись углерода) помещают в шпуры или скважины, пробуренные наклонно снизу вверх вдоль линии намечаемого обрушения труднообрушаемой кровли параллельно разрезной печи, выемочным штрекам или бортовым ходкам, крепление которых деформируется под действием давления нависающей консоли труднообрушаемой кровли. Это приводит к внезапным обрушениям кровли в лавах с тяжелыми последствиями и вынужденными повторным перекреплениям выемочных штреков или бортовых ходков в результате деформации крепи с остановкой горных работ.

На фиг, 1 показан поперечный разрез откаточного штрека 1, крепление которого деформировано под действием давления нависшей консоли 2 труднообрушаемого песчаника мощностью тн над выработанным пространством 3 угольного пласта

МОЩНОСТЬЮ ГПу.

На фиг. 2 под поз. 3 изображены шпуры или скважины, пробуренные наклонно снизу вверх на всю толщину тн кровли со стороны выработки 1 с целью искусственного обрушения нависшей над выработанным пространством 3 консоли предложенным способом. х

Количество одновременно пробуренных наклонно шпуров (скважин) 4 зависит от толщины нависшей консоли кровли, давления и крепости ее пород. Шпуры (скважины) 4 бурят со стороны выработки 1 наклонно вверх на всю толщину обрушаемой кровли консоли с расстоянием между шпурами (скважинами) равным 2R (см. фиг. 2), где R - радиус активной зоны действия шпура или скважины 4,

Искусственное обрушение консоли труднообрушаемой кровли, имеющей две плоскости обнажения, осуществляют следующим образом.

До нагнетания воды в скважины (шпуры) 4 досылают посекционно медные перфорированные трубки 6, предварительно заполненные хладагентом (твердая двуокись углерода) (см. фиг. 1 - 3). Твердую двуокись углерода получают непосредственно в шахте из доставленных сюда 40- литровых углекислотных баллонов, наполненных сжиженной углекислотой, по 30-35 кг в одном баллоне. При помощи специального устройства (условно не показано) сжиженная углекислота при адиабатическом расширении превращается в твердую фазу (гранулы), позволяющую сразу же прессовать ее в цилиндрические шашки (условно не показаны), которыми заполняют медные перфорированные трубки 6, посекционно досылаемые в шпуры или скважины

4 (см. фиг. 1 - 3). После этого в устье каждого шпура (скважины) 4 устанавливается гидрозатвор 5, позволяющий одновременно нагнетать в них под давлением воду через шланг 8 специальным насосом (условно не показан), Обратный клапан 7 гидрозатвора

5 исключает обратный выход воды из шпуров (скважин) 4.

Медные перфорированные трубки 6 благодаря высокой теплоемкости создают теплоотводящий контур, позволяющий в пять раз по сравнению со стальной перфорированной трубкой ускорить замерзание воды в шпурах (скважинах) 4 и природных трещинах в радиусе R. При этом быстро образуется ледяная пробка, увеличивающая боковые расширяющие усилия, способствующие обламыванию нависающей консоли кровли 2, деформирующей крепь выработки 1 по линии пробуренных шпуров (скважин) 4. Общий объем трещин в породах кровли в радиусе R, куда проникает вода под избыточным давлением, составляет 8- 11 % от обьема 2 я R глн N, где N - количество шпуров или скважин, одновременно участвующих в искусственном обрушении породной консоли кровли, имеющей две плоскости обнажения.

Твердая двуокись углерода при адиабатическом расширении скоротечно превращается в газообразную, которая через перфорированные отверстия в секциях медных трубок контактируете водой, поглощая ее теплоту в радиусе R.

При этом происходит быстрое снижение температуры воды до минус 5-10°С, а расширяющие условия образовавшегося льда достигают усилий 10-200 МПа, что приводит к быстрому обламыванию породной консоли по линии пробуренных шпуров (скважин), что предотвращает деформацию крепи выработки 1.

В таблице приведены результаты шахтных испытаний скорости полного замерзания в скважинах воды при наличии стальных и медных перфорированных секций диаметром 80 мм общей длиной 2000 мм. Обламываемая консоль сложена из крепких песчаников с коэффициентом крепости j 10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Диаметр двух наклонно пробуренных вверх скважин 100 мм под углом 45° к вертикали

на толщину песчаника, длина скважин 2500 мм, температура стенок скважины плюс 28°С, температура воды в оросительном трубопроводе шахты плюс 15°С. При этом время полного замерзания воды в скважинах по предложенному способу составило: Из данных таблицы видно, что перфорированные медные трубчатые секции в пять раз ускоряют замерзание воды в скважине по сравнению со стальными, что резко повышает производительность труда. Быстрому замерзанию воды в скважинах способствует и то обстоятельство, что у льда не успевает проявиться свойство ползучести, что повышает его расширяющие усилия.

Количество твердой двуокиси углерода в зависимости от количества воды, нагнетаемой в шпуры (скважины), определяют по следующей формуле:

m CO2

m1tCl(T1 -то)+Я + СД(Т2-Тр)

7

СС02(Т2-ТЗ) + 1С02+СС02(Т2-Т3)

где mi - масса воды; Ci - удельная теплоемкость воды;

Ti - начальная температура воды;

То - температура образования льда;

Т2 - температура льда;

С со2 Удельная теплоемкость твердой фазы двуокиси углерода;

Я-удельная теплота плавления льда;

СД- удельная теплоемкость льда;

Тз - температура перехода из твердой фазы С02 в газообразную;

L CO2 теплота перехода С02 из твердой фазы в газообразную;

С со2 удельная теплоемкость двуокиси углерода;

m масса двуокиси углерода в твердой фазе.

Вслед за подвиганием лавы вышеуказанным способом производят последовательное искусственное обрушение

нависающей консоли кровли, что исключает деформацию крепи, вызывающую повторное перекрепление участковых штреков и бортовых ходков.

Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества:

1) отпадает необходимость в применении дорогостоящих машин и механизмов;

2) способ безопасен и легко осуществим в условиях каждой шахты, располагающей баллонами со сжиженной углекислотой;

3) резко сокращается объем повторного перекрепления участковых выработок (штреков и бортовых ходков), вызванных де- формацией крепи участковых выработок под воздействием давления нависающей консоли;

4) легко осуществим в шпурах (скважинах), пробуренных в направлении снизу вверх, а не сверху вниз, как в прототипе.

При этом повышается безопасность работ за счет исключения операций, связанных с перекреплением участковых выработок для их повторного использования, что приводило к человеческим жертвам.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

Способ искусственного обрушения труднообрушаемой кровли, включающий бурение наклонных восстающих скважин длиной, превышающей мощность обрушае- мой кровли, заполнение их теплопроводя- щим элементом, установку гидрозатворов, заполнение скважин охладо гентом и водой, отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат и повышения безопасности работ при наличии двух плоскостей обнажения в консоли обрушае- мой кровли, в качестве теплопроводящих элементов используют медные перфорированные трубки диаметром, меньшим диаметра скважин, которые посекционно досылают в скважины до установки в них гидрозатворов и заполнения водой.

Назначение. Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для принудительного обрушения труднооб- рушаемой кровли над выработанным пространством лав или над выемочными выработками шахт с пологим и наклонным залеганием угольных пластов без применения взрывных работ (торпедирования). Сущность изобретения: при наличии двух плоскостей обнажения в консоли труднообрушаемой кровли (песчаник, известняк) в качестве теплопроводящих элементов используют медные перфорированные трубки диаметром, меньшим диаметра скважин, которые заполняют гранулами двуокиси углерода и посекционно досылают в скважины до установки в них гидрозатвора и заполнения скважин водой. При этом происходит быстротечное расширение образующегося из воды льда, способного при температуре минус 5-10°С создать по линии пробуренных скважин избыточное давление в 113 МПа (1130 кгс/см2), превышая предел прочности наиболее крепких песчаников и известняков, что приводит к искусственному обрушению консоли без торпедирования. 3 ил.

Фиг.1