Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении горных выработок Советский патент 1993 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения внезапных выбросов угля и газа при прохождении горных выработок и вскрытии выбросоопасных пластов.

Известен способ предотвращения выбросов в подготовительных забоях путем гидровымывания опережающих полостей, заключающийся в вымывании в пачке нарушенного угля полостей на длину, равную удвоенной величине неснижаемого опережения.

Недостатком известного способа являются оставление целиков между полостями, способствующее повышению напряженного состояния массива, и ограниченное применение, обусловленное крепостью угля не

более 0,6 по шкале М.М. Протодъяконова, в то время, как большинство углей выбросоопасных пластов имеют крепость более 0,6. Известен способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа, включающий бурение скважины в горный массив, размещение и герметизацию в ней инъектора и нагнетание жидкости в режиме гидроотжима (прототип).

Однако этот способ также недостаточно эффективен, так как область его применения очень зависит от горногеологических характеристик пласта, поскольку при нагнетании в угольный пласт воды гидроотжим на заданную длину не представляется возможным осуществить.

00

о

sl

CJ

ю

Целью изобретения является повышение темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного пласта.

Поставленная цель достигается тем, что шпуры бурят по пласту на величину Ь, определяемую из выражения

b bt+b2,

где bi -- размер неустойчивого слоя, определяют из соотношения

, зУс(А + Всо52«)Гн . Ь1 j----- ----- . d

где А, В, С - коэффициенты определяемые по зависимости

А

1

;; в

Sin/3 .

1 + sin/5 1 + sin/э

С 3 + 2 sinyO-sin2, a b2 из соотношения

Ь2

dcos p

4 k d + m +sin/9(d - m ) cos 2 « sin/0

затем производят бурения технологической скважины через породную пробку под углами к оси выработки и горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и пересечения пласта на полную мощность, обустраивают заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт рабочим агентом под давлением 0,1 jH q 0,3 jH, но не более 0, до выхода рабочей жидкости из шпуров, выделившийся объем газа регистрируют измерительной аппаратурой, нагнетают через шпуры рабочую жидкость до сдвижения угольного массива в сторону забоя, при этом интенсивность гидроотжима регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показаниям манометра, а затем создают давление рабочей жидкости в технологической скважине до значения 1,0-1,5 jH и гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвигания призабойной части угольного массива в сторону забоя или обильного выхода рабочего жидкости в выработку через грудь забоя.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемое техническое решение отличается от известных следующей совокупностью признаков;

по пласту на толщу предохранительного целика бурят шпуры;

по породе на пласт бурят технологическую скважину под углами к оси выработки и горизонту и пересекающую пласт на полную мощность;

забой технологической скважины входит в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений;

0

циклические знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют рабочей жидкостью через технологическую скважину под давлением 0,1 jH ,3 jH, но не более 0,5 JH;

5 знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров и истечения через них газа;

выделившийся через шпуры объем газа

0 регистрируют измерительной аппаратурой; уменьшают размер устойчивой части слоя и увеличивают площадь разупрочненного угля путем гидроотжима угольного массива в сторону забоя;

5при осуществлении гидроотжима через шпуры интенсивность его регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показанию манометра, установленного на заслонке технологической скважины;

0 после гидроотжима пласта через шпуры гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвижения призабойной части угольного массива в сторону забоя или обильного вы5 хода рабочего агента в выработку.

Указанная совокупность признаков является совокупностью неизвестных существенных признаков, так как все эти признаки непосредственно влияют на достижение по0 ставленной цели, а отсутствие хотя бы одного из них в предлагаемой совокупности не позволит достичь цели изобретения, т.е. повысить эффективность способа за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного

5 угольного пласта.

Пробуренные шпуры позволяют предохранить размер устойчивой части слоя Ь2 от самопроизвольного разрушения за счет выхода через них газа в забой выработки при

0 достижении границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров, Дополнительно шпуры могут быть использованы для прогноза выбросоопасности пласта.

Бурение технологической скважины по

5 породе на пласт с перебуриванием пласта на полную мощность с вхождением забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений позволяет предотвратить возникновение внезапного вы- броса угля и газа при ее бурении, увеличить

чения 0,1 jH,T.e. до 2,5 МПа, исключая выход газа в выработку. Величины давления рабочей жидкости в скважине контролируют по показаниям манометра, Значения верхнего и нижнего пределов давления рабочей жид- кости позволяют создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов. Циклическое воздействие на пласт повторяют до достижения зоны разупрочненного угля забоев шпуров 3 и истечения через них газа. Размер неустойчивого неустойчивого слоев bi+b2, перебуриваемых шпурами 3, заблаговременно определяется расчетным методом. Например, при j 25 кН/м3; Ы 1000 м; d 3 м; лп 1 м; Of 60°, Е 1,8 -103МПа; К 0, МПа;р 36°; д 7МПа; n МПа.

вляют сразу в сторону забоя путем создания давления рабочей жидкости в скважине 4 и шпурах 3 одновременно при g 1,0-1,5 JH.

Контроль эффективности разупрочнения угольного пласта при циклическом воздействии через скважину 4 и гидроотжиме осуществляют датчиками концентрации метана по показателю удельного газовыделения. Для этого в сечении замерной станции, где установлен датчик контроля концентрации метана, например, в 100 м от забоя выработки, определяют дебит выделяющегося газа и его общее количество в процессе циклического воздействия на пласт и при гидроотжиме.

Дебит метана в конкретный момент времени определяется из выражения

Использование: горнодобывающая промышленность, подземная разработка месторождений, опасных по внезапным выбросам угля и газа, технология проведения горноподготовительных выработок. Сущность изобретения: при проведении выработок смешанным забоем из забоя бурят шпуры, герметизируют их, нагнетают рабочую жидкость в режиме гидроотжима, опре- деляют размер зоны с максимальной концентрацией напряжений, при этом шпуры по пласту угля бурят на глубину b bi+b, где bi - размер неустойчивого слоя; Ь2 - размер устойчивой части слоя, через породную пробку бурят технологическую скважину, пересекающую пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и нагнетают в эту скважину жидкость с давлением 0,1 jH g 0,3 JH, но не более 0,5 jH, где -средняя плотность пород; Н-глубина расположения выработки, нагнетание производят до выдвижения массива угля в сторону обнажения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

А

1

1 +0,588

0,63;

р 0,588 п 0, 1 +0,588 ° 37

С 3 + 2 -0,588 - (0.588)2 3,831

3 ( 0.63 + 0,37 cos 120° ) 25 41,8 103

X 3 0,346 м ;

bi

X

1 7 1 -3 0,809

4 -0. +1 +0,588(3-1 )cos ,588

3,42 м; Ь 0,346+ 3,42 3,766м.

После разупрочнения пласта 2 в глуби- не забоя давление в скважине сбрасывают до нуля, заслонка закрыта. В шпур.. 3 досылают гибкие гидрозатворы и создают давление рабочей жидкости g 1,0-1,5 jH до

сдвижения угольного пласта в сторону за- боя. Интенсивность гидроотжима контролируется сейстоакустической аппаратурой и по увеличению давления в скважине 4 - по показанию манометра. После выполнения гидроотжима через шпуры создают давле- ние в скважине 4, равное g 1,0 Н, и одновременно через шпуры 3 и скважину 4 производят гидроотжим пласта, сдзигая его в сторону забоя или до обильного выхода рабочей жидкости в забой выработки.

При слабых и перетертых углях с крепостью f 1 по шкале Протодьяконова после разупрочнения пласта 2 в глубине забоя через скважину 4 гидроотжим пласта осущест20

Qn

Vi -S

100

где Qri - дебит метана в i-й момент времени;

Vj - скорость движения газовоздушной смеси в i-й момент времени;

d - концентрация метана в i-й момент времени;

S - площадь сечения выработки у замерной станции.

Общее количество выделившегося газа (Vr) определяется из выражения

i т

vr 2 On + ti

i 0

где ti - время с конкретным значением Ci концентрации метана при циклическом воздействии или при гидроотжиме.

Одновременно с записью концентрации метана и скорости движения газовоздушной смеси определяют объем разрушенного угля, извлеченного через технологическую скважину, и объем разупрочненного при гидроотжиме и определяют удельное газовыделение

дУД A7

YL

/у

где Vy - объем разрушенного и разупрочненного угля при циклическом воздействии на пласт и от сдвижения в сторону забоя.

Обработка пласта считается эффективной, если дуд 0,15-0,3, а выдвигание угольного забоя составит 0,02 г, где 1Г - глубина герметизации шпура, или произойдет обильный выход рабочей жидкости на забой выработки.

Дополнительно эффективность разупрочнения угольного пласта при цикличев 5 и более раз обнаженную скважиной поверхность угля, что позволит во столько же раз увеличить площадь контакта рабочей жидкости с поверхностью газонасыщенного угля, увеличить газовыделение через обнаженную поверхность и, следовательно, увеличить работу газа по разрушению угля при циклическом воздействии.

Признак циклического воздействия рабочим агентом на пласт с параметрами давления 0,1 jH ,3 JH, но не более 0,5 JH и его раскачку с целью перевода угля в подвижное состояние позволяет ускорить разупрочнение угля и увеличить зону разгрузки пласта. Верхний предел давления 0,3 jH позволяет оттеснить газообразные продукты в систему мелких трещин. Нижний предел давления 0,1 jH позволяет сбрасывать угольную пульпу в выработку без выхода газа, энергоносителя послойного разрушения угля. Кроме того, значения верхнего и нижнего пределов давления рабочей жидкости позволяет создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов. Максимальные значения давления в скважине не должны превышать 0,5 jH для исключения гидроразрыва пласта, Воздействие на пласт знакопеременной нагрузкой позволяет образовать зону разупрочненного угля.

Признак гидроотжима пласта через шпуры, а затем через шпуры и скважину одновременно позволяет увеличить зону разгрузки пласта, увлажнить пласт и снизить запыленность исходящей струи воздуха при взрывных работах.

Признак гидроотжима через шпуры в направлении разупрочненного угля позволяет уменьшить размер устойчивой части слоя целика сдвигаемой затем в сторону забоя путем нагнетания рабочей жидкости одновременно в скважину и шпуры, повышая качество выполнения процесса гидроотжима. Контроль эффективности выполнения циклического воздействия по .разупрочнению угольного пласта и гидроотжима контролирует датчиками коцентрации метана через показатель -удельное газовыделение.

Совокупность признаков: бурение шпуров на размер устойчивой части слоя, техно- логической скважины с заданными геометрическими параметрами, циклическое воздействие на пласт до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров образуют новую связь признаков, т.к. позволяют использовать полученные в процессе циклического воздействия новые физико-механические свойства пласта, увеличить зону разгрузки

пласта, предотвратить разрушение приза- бойной его части при раскачке и переводе угля в подвижное состояние,

Следовательно, каждый из приведенных в формуле изобретения признаков, отдельно взятый, необходим, а все отличительные признаки, вместе взятые, достаточны для того, чтобы отличить данный объект изобретения от других объектов того

0 же назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в положительном эффекте. Отсутствие одного из вышеуказанных признаков в совокупности не дает возможности получить положительный

5 эффект, который является целью изобретения и лишь его наличие в совокупности обеспечивает получение искомого результата.

На основании изложенного можно сде0 лать вывод, что указанные признаки являются новыми существенными признаками, а заявляемое техническое решение соответствует критериям охраноспособности новизна, существенные отличия,

5 положительный эффект.

Предлагаемый способ возможно использовать для безопасности прохождения пластовых выработок, а также при вскрытии выбросоопасных пластов.

0 На фиг. 1 и 2 приведены поперечное сечение и продольный разрез выработок при прохождении их по пластам крутого и полого падения.

Способ осуществляют следующим об5 разом.

Из забоя подготовительной выработки 1 на пласт 2 бурят шпуры 3, а через породную пробку на пласт бурят технологическую скважину 4 под углом к горизонту, напри0 мер, 5-10° с учетом вхождения забоя скважины в пласт на расстояние 5-7 м от забоя выработки с перебуриванием пласта на полную мощность, где 5 - след пласта.

В скважину 4 досылают стальные трубы

5 с заходом их в угольный пласт, например, на 1/4 длины скважины, пройденной по углю, диаметром до 110 мм, герметизируют вяжущим раствором и обустраивают устье скважины гидродинамической системой

0 (заслонка, спаренная по направляющей с гидроцилиндром), высоконапорной арматурой и измерительными приборами. Циклическое воздействие на пласт осуществляют путем создания в скважине при закрытой

5 заслонке нагрузок с верхним пределом 0,3 jH, что для глубины, например, 1000 м составляет 7,5 МПа, для оттеснения рабочей жидкости, например, водой газа в систему мелких трещин. Сброс давления рабочей жидкости в скважине осуществляют до знаском воздействии и гидроотжиме пласта определяется по возрастанию часовой шум- ности пласта в 2 раза и более по сравнению со средним уровнем шумности, определяемой сейсмоакустической аппаратурой.

По сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа, предлагаемый способ предупреждения внезапных выбросов угля и газа при прохождении пластиковых выработок позволяет

производить разупрочнение и разгрузку пласта в глубине массива при циклическом воздействии на пласт рабочим агентом;

создать знакопеременные нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля

Формула изобретения 1. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при прохождении горных выработок, включающий бурение из забоя выработки шпуров, их герметизацию, нагнетание в шпуры жидкости в режиме гидроотжима и определение зон максимальной концентрации напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения размеров зоны разгрузки выбросоопасного пласта, шпуры по пласту угля бурят на величину Ь, определяемую из выражения b bi+D2, где bi - размер неустойчивого слоя, определяемый из соотношения

3 YC(A + Bcos2«)j H 01 4 Е

где А, В, С - коэффициенты определяемые по зависимостям

А

1в sinyg . 1 + sin/51 1 + sin/

С 3 + 2 sinp-sin2/, где р- угол внутреннего трения угля;

2-угол падения пласта;

у- плотность пород;

Н - глубина расположения выработки;

Е - модуль Юнга для угля; а Ь2 - размер устойчивой части слоя, определяемый из соотношения :

п g

d cos p

b2 +m +sin/5(d-m ) cos 2 « sin/3 где п - коэффициент запаса прочности угля;

g - давление рабочей жидкости в скважине;

при протекании газодинамических процессов;

повысить качество процесса отжима за счет возможности выдвигания пласта в сторону забоя выработки через шпуры, а также через шпуры и технологическую скважину одновременно;

повысить технико-экономические показатели, предъявляемые к аналогичным способам, т.к. содержит операции, направленные на создание разветвленной системы трещин при выемке угля в процессе циклического воздействия и гидроотжима пласта, увеличить зону разгрузки пласта, составляющую до 20 м.

m - мощность пласта; d - диаметр выработки; К - коэффициент сцепления вещества угля,

затем производят бурение технологической скважины через породную пробку под углом к оси выработки и к горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и

пересечения пласта на полную мощность, обустраивают ее заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт рабочей жидкостью под давлением 0,1jH ,3jH, но не более 0,5jH, где j средняя плотность пород; Н - глубина расположения выработки, до выхода рабочей жидкости из шпуров, объем газа, выделившегося при этом, регистрируют измерительной аппаратурой, нагнетают рабочую жидкость до сдвижения угольного массива в сторону забоя, интенсивность гидроотжима регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показаниям манометра, а затем повышают давление рабочей

жидкости в технологической скважине до значений 1,0-1,5 jH и гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвижения призабойной части угольного массива в сторону забоя и обильного выхода рабочей жидкости в выработку.

« IX

///to x

szi

щщ/ /шШ / 1

л

- -- J

-.-1

Ьг9& г.«