Способ вибрационно-скважинного воздействия на горный массив для снижения выбросоопасности Советский патент 1993 года по МПК E21F5/00 

тзобретение относится к горной промышленности, предназначено для предотвращения выбросов угля и газа при разработке крутых особовыбросоопасных и выбросоо- пасних угольных пластов, склонных к обру- шаемрсти.

Ирвестен способ снижения выбросоо- паснссти, включающий бурение скважин по длинезабоя выработки, установку в них виб- роистрчников и последующую виброобработку угольного массива.

Однако данный способ не достаточно безопасен, поскольку при бурении скважин в особропасных зонах пласта возможно раз-7 вязывание газодинамического явления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ виброимпульсного воздействия на массив для предотвращения выбросов.

Способ включает в себя бурение скважин рядами во вмещающих породах на определенном расстоянии от угольного массива, установку в них источников воздействия и после перехода обрабатывающей зоны пласта из особовыбросоопасного состояния в выбросорпасное бурение скважин в уголь-- ном пласте, проведение вибровоздействия, выполнение контроля эффективности применения мероприятия и осуществление непосредственного цикла по выемке угля.

Однако данный способ недостаточно эффективен и безопасен при его осуществлении. Низкая эффективность способа обус- ловлена значительным затуханием виброволн во вмещающих пласт породах и, следовательно, осуществление воздействия непосредственно на уголь волнами с весьма невысокими амплитудами из-за их затухаXI

О

GJ О О СО

ния, что в свою очередь-, для безопасной и надежной обработки особоопасных участков требует довольно длительной виброобработки пласта. А в некоторых случаях при довольно прочных углях частичное-дегази- рование массива, особенно в зоне ориентированных трещин, практически не осуществимо. Кроме того, при виброобработке крутых угольных пластов, склонных к обрушаемости возможно их высыпание, которое вполне может перерасти в газодинамическое явление.

Цель изобретения - повышение эффективности и безопасности работ по снижению выбросоопасности путем дополнительного дегазирования и разгрузки пласта без внедрения в особоопасную зону призабойной части крутого угольного массива, склонного к обрушаемости.

Поставленная в изобретении цель достигается тем, что в предложенном способе, включающем в себя бурение скважин рядами во вмещающих пласт, породах на определенном расстоянии от угля, установку в них источников воздействия и после перехода обрабатываемой зоны пласта (или за счёт других природных процессов) из особоопас- ного состояния в выбросоопасное бурение скважин в угольном пласте, проведение в них вибровоздействйя и контроля эффективности необходимо выполнить следующие операции. -Бурят наклонные скважины для оборудования виброскважин во вмещающих пласт породах с внедрением их в уголь призабойной части пласта в зоне ориентированных трещин, осуществляют с их помощью виброобработку призабойной части пласта до ее перехода в обычное выбросоопасное состояние, после этого освобождают эти скважины и устанавливают в них со стороны нависающего угольного массива несущие элементы (типа штырей) в качестве передового крепления.

Глубина внедрения этих наклонных скважин в угольный пласт в месте установки, источника вибрации составляет не менее расстояния до противоположной плоскости контура пласта, равного радиусу эффективного влияния вмбровоздействия каждой виброскважины, а проекции оборудованных виброскважин ориентируют перпендикулярно к пласту.

- Причем оптимальный угол наклона скважин к оси пласта устанавливают используя зависимость

ta

1У к h - а

где k - коэффициент возможного изменения гипосметрии пласта в пределах его призабойной части, k 0,0-1,1;

b - глубина в призабойной части пласта зоны ориентированных трещин, м;

а - глубина в призабойной части пласта зоны перемятого угля, м;

m - мощность пласта, м;

Нэф.. - радиус эффективного влияния каждой виброскважины (радиус разгрузки и дегазирования пласта), м.

Величина (h) расстояние от устья наклонной скважины до пласта определяем по формулен а tg a . (2)

Определение величины а и b можно осуществлять по динамике начальной скорости газовыделения или ультразвуковым методом по затуханию волн.

Затем бурят скважины в угольный пласт с забоя выработки параллельно оси проведения выработки и осуществляют из этих скважин виброобработку пласта поочередно в каждой последующей скважине до безопасного снижения выбросоопасности. Скважины и время виброобработки принимают такими, чтобы зоны трещинообразо- вания вокруг виброскважины полностью

пересекали обрабатываемый массив, а определяется это значениями радиуса эффективного, влияния виброскважины. Радиус эффективного влияния одной виброскважины определяют принимаемыми параметрами вибрации и времени вмброобработки в этой скважине. Причем, используя известные механизмы влияния вибрации.на угольный массив, и также известные результаты исследований получают

.

45

(3)

(1-R)(AK- где Л К 2ag А/лГГ;

уН-gg . vT2EyK к-уНТБд Kc-j()25Q Си а- постоянные малоцикловой усталости угля, определяем экспериментально;

(7д - амплитуда вибрационного воздействия на массив, Па;

I - глубина (условная) трещин в уголь- 55 ном пласте, м;

у Н - гидростатическое давление в пласте, Па;

Е - модуль упругости угля, Па;

у к - поверхностная эффективная энергия разрушения угля, Дж/м ;

v- коэффициент Пуассона; t- принятое время виброобработки, с; со--частота виброобработки, Гц. Используя выражение легко рассчитать радиус эффективного влияния вибро- зйствия, причем уменьшение (увеличение) о }ного параметра вибрации легко компен- фовать изменением другого, что видно по сражению (2);

Кроме того, для повышения эффектив- н эсти способа авторами предложен ряд до- олнительных приемов и операций, которые заключаются в следующем,Согласно основной формулы изобрете- ия, после виброобработки, массива по- с зедством скважин, пробуренных через вмещающие пласт породы, осуществляют вчброобработку в скважинных, пробурен- в угольном пласте;. Эти скважины в ольном массиве бурят после виброобра- бэтки пласта через проекции наклонных важин. Эти скважины бурят на глубину, не превышающую суммарную величину глуби- i зоны опорного давления, определенной

(например, по динамике начальной скоро- и газовыделения} перед началом цикла, и эличины разгрузки пласта в результате 1брообработки наклонных скважин (определяемой, например, по начальной скоро- ги газовыделения)..Причем скважины в ольном массиве далее глубины зоны нахождения забоя наклонных скважин бурят леньшенным, т.е. минимально возможным /юметром. Перед установкой в эти сква- х ины вибраторов их расширяют до его диаметра, а в торце оставляют передовой забой минимального диаметра глубиной е менее IH.O.

Скважины, пробуренные в угольном г ласте, делят на две группы: четные и нечет- .ie. Виброобработку этими скважинами существляют поочередно в первой и второй группе скважин, в каждом последующем цикле выемки пласта. Вместе с этим, в учае неэффективного вибрационного воз- ействия на массив производят в этом же иикле виброобрзботку посредством второй уппы скважин, используя первые в каче- ве дегазационных.

После вибровоздействия на массив по- эедством наклонных скважин последние используют в качестве дегазирующих уголь- i-ый массив и производят через них отсос гзза из массива. По окончании виброобра- Сотки пласта и осуществления контроля эффективности применения способа цикл выемки угля (1цик.) осуществляют на глубину вглубь массива не превышающую глубину зоны разгрузки пласта (1з.р) без учета минимального размера предохранительной зоны неснижаемого безопасного опережения пласта Он.о), по фактору возможности развязывания выброса, т.е.

ЦИК

з.р. -1Н.

о.

(4)

Причем, (цик.) должно быть меньше глубины нахождения забоя наклонных 10 скважин (н.в.)

цик. н.Ь.

(5)

Согласно опыта ведения горных работ,

глубина неснижаемого безопасного опережения (1н.о.) обычно равна 0,75-1.5 м, а для шахт отрабатывающих выбросоопасные угольные пласты в Центральном районе Донбасса обычно принимают н.о 2i1 м. Глубину зоны разгрузки пласта (э.р.) легко определить по изменению начальной скорости газовыделения из контрольного шпура.

Кроме того, особенно при ведении работ на пластах, склонных к обрушению массива, наклонные скважины в верхнем кутке сооружают как со стороны кровли пласта, так и почвы пласта, т.е. сооружают парные скважины, которые при особой склонности нависающего массива к высыпанию в каждом цикле сооружает дополнительно, а наверх этих групп скважин устанавливают (укладывают) опережающую крепь полностью перекрывающую угольный массив. В качестве такой крепи можно использовать

обычные деревянные брусы, которые располагаются в передовом забое на штырях ранее установленных в наклонных скважинах в кутке выработки.

Рассматривая основные особенности

приемов в операций автор хотел бы ввести ряд разьяснений по более эффективному выполнению способа и разъяснить их физический смысл.

Скважины в угольном массиве буряттаким образом, чтобы проекции этих скважин на пласт были перпендикулярны к линии угольного забоя. Этот признак на эффективность воздействия не оказывает влияния, но оказывает влияние на трудоемкость выполнения способа путем уменьшения объема бурения, поскольку перпендикуляр всегда короче наклонной линии.

Данное изобретение предопределяет при выемке угля постоянно иметь предохранительную безопасную пробу по фактору выброса. Эта пробка должна иметь .некоторую безопасную (неснижаемую) мощность. Обычно, согласно опыту шахт Донбасса, эта пробка принимается на практике 0,75-1,5 м, а для некоторых газодинамически опасных (и еще для не достаточно проверенных по мнению Комиссии по выбросам угля и газа способов) пластов это расстояние бывает установлено и большим - порядка 2-5 м.

По поводу нахождения в реальном угольном массиве зон препарированного угля и зон ориентированных трещин, определяемых глубиной их расположения (а) и (б), необходимы, по мнению авторов, следующие пояснения согласно существующих положений. В настоящее время призабой- ная часть пласта (эта часть пласта) условно разбита на следующие зоны. На поверхности забоя находится зона отжима, затем с удалением вглубь массива расположена зона препарированного угля. В этой зоне перемещение газа затруднено, уголь довольно нарушен, его прочность не высокая, Затем, с удалением вглубь массива находится зона технологических или (согласно гипотезы С.А, Христиановича) ориентированных трещин, которые, в основном, сориентированы параллельно поверхности забоя. Поэтому, в зоне ориентированных трещин наблюдается увеличение газовыделения в скважину. Обычно с учетом зоны отжима зоны препарированного угля имеет мощность порядка 1-3 м, зона ориентированных трещин обычно находится на глубин от забоя 1-5. м.

Под суммарной величиной глубины зоны понимается суммарная глубина зоны опорного давления до применения способа (т.е. до воздействия на массив) (1А°о.д.) плюс величина дополнительной зоны разгрузки, образовавшейся в призабойной части угольного массива От виброобработки пласта от воздействия на уголь посредством наклонных скважин (1Н С1С%.), то есть суммарная величина тогда будет определяться зависимостью

Ib lflo0n + l

HiCKB.

(6)

На фиг. 1 показан общий вид на забой пласта, и схемы оборудования виброскважин во вмещающих пласт породах и угольном массиве; на фиг.2 - продольный разрез А-А по оси ведения горных работ при выемке угля; на фиг.З - продольный разрез по оси ведения горных работ по верхнему кутку выработку, в наиболее опасной зоне по возможности обрушения угольного массива; на фиг.4 показан верхний куток выработки.

На фиг.1 приведен угольный пласт 1 расположенный в сечении выработки 2. Устья наклонных скважин 3, забуренных из вмещающих пласт пород в угольный массив 4 - наклонные скважины; 5 - наклонная скважин на пробуренная в верхней кутко- вОй части выработки; 6 - часть наклонной

скважины, дополнительно пробуренная на всю мощность пласта; 7,8,9,10,11 - скважины, пробуренные в угольном массиве; 12 - виброисточники, установленные в скважины; 13 - передовой забой скважины, пробуренной в угольном пласте минимально возможным диаметром; 14 - наклонная скважина, пробуренная с противоположной стороны пласта от ранее существовавшей 4,

0 образуя с ней парные скважины; 15, 16 -. дополнительные наклонные парные скважины; 17-рассчетная проекция наклонных скважин/буримых в следующем цикле; 18 - опережающее крепление, устанавливаемое

5 выше парных наклонных скважин и полностью перекрывающее нависающий угольный массив в верхнем кутке выработки.

Содержащаяся в указанном способе совокупность признаков авторами в исследо0 ванной технической и патентной не обнаружена. Следовательно, предложенная совокупность признаков обладает новизной....

Вполне очевидно, что после воздействия

5 на угольный массив посредством наклонных скважин без внедрения в особовыбросоо- пасные участки, находящиеся в призабойной перемятой части пласта, уголь из особовыбросоопасного состояния перехо0 дит в обычное выбросоопасное или вообще в невыбросоопасное состояние. Поэтому и дальнейшее использование способа (бурение скважин в угольном массиве и прочее) становится более эффективным и безопас5 ным, а, следовательно, предложенная совокупность признаков в объеме данного изобретения существенна. Что касается признаков, приведенных в последующих пунктах формулы изобретения, то они нэ0 правлены на то, чтобы предотвращение выбросов при применении данного дополнительного изобретения было достигнуто с наивысшей степенью надежности, эффективности и безопасности, т.е. они в целом

5 развивают и уточняют совокупность признаков по решению данной технической задачи. Таким образом, данное решение обладает существенными отличиями, по сравнению с известными способами. Дру0 гих известных решений со сходными признаками не выявлено.

Исходя из изложенного, можно считать, что решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению.

5 Предлагаемый способ заключается в следующем. Пример конкретного выполнения,

В случае, когда выработка проводится по особовыбросоопасному угольному.пласту тогда определяют расположение призаВойной части пласта глубину зоны перемятого угля и зоны ориентированных трещин, а также по текущему прогнозу определяют максимум опорного давления. Определяют по формуле из прототипа изобретения расстояние h от пласта до устья скважин. Опре- еляют по формуле (2) или экспериментально диус эффективного влияния вибросква- ины. В качестве источника вибрации при- м пневмовибратор типа ВПГ-Ильчевского рудоремзавода диаметром 75 мм, с частотой О Гц, и амплитудой 3 МПа. Характеристи- угольного массива Си a, E, v, ук известны. Так, при С 0.5: ,01; Е 80 МПа; С h 0,5; у - 5 Дж/м2, Яэф будет составлять около 0,5 м, при t 0,1 -А, Гц и у Н 30 МПа. Мощность пласта m 1 м. Выполняем следующие операции. Оп- ,еляем по динамике начальной скорости выделения в призабойной части уголь- о массива основные параметры способа 1,5 м; b 3 м,.Коэффициент изменения гипсометрии пласта К 0,9. По формуле (1) определен угол наклонных скважин и гори- ТУР га н а

зо

km....7.

Отсюда следует, что а Определим по формуле

20,3°

:hf 1,5 tg (20.3°) 0,55м.

Скважины из забоя выработки забуривают с расстояния h 0,55 м от пласта под «Ь20° к нему с таким расчетом, чтобы проекции этих скважин на пласт были перпендикулярны к линии забоя пласта. Скважины диаметром 75 мм забуривают в зону ориентированных трещин (на глубину IH.O j b 3 м) и на глубину мощности пласта (т - Рэф) 0,5 м. Устанавливают в забой скважины виброисточники, например, типа пВП Ильчевского рудоремонтного за- вода(г. Стаханов) и частотой воздействия 100 Пц и осуществляют обработку массива. В процессе виброобработки ведут контроль за состоянием выбросоопасного массива, например, сейсмоакустическим методом или пр динамике газовыделения. Если пласт становится невыбросоопасным, то работы на этом заканчиваются. Если же пласт из состояния особовыбросоопасного переме- шел в состояние выбросоопасного, осуществляют сооружение скважин в угольном массиве и их виброобработку, а наклонные вибросквзжины подключают к дегазационной сети и с их помощью осуществляют дополнительный отсос газа из угля. В двух наклонных скважинах, расположенных в верхнем кутке угольного забоя выработки, со стороны нависающего угольного масси- 5 ва, в них устанавливают несущие элементы, например, в скважины вводят деревянные горбыли или металлические трубы, которые в этом цикле используются в качестве передового крепления.

0 Перед установкой несущих элементов в наклонные скважины последние добурива- ют полностью, пересекая угольный пласт и частично забуриваясь во вмещающие породы. В случае повышенной опасности высы5 пания угольного массива из зоны верхнего кутка в нем образуют парные скважины с введением в них несущих элементов, путем оборудования таких парных групп скважин в верхнем кутке осуществляют вдвое чаще

0 подлине цикла.

Затем по угольному пласту бурят две группы скважин: первая и вторая группы скважины с устьями (этих скважин), располагающимися по линии, соединяющей устья

5 ближайших двух наклонных скважин, забуренных ранее во вмещающих пласт породах. Скважины по угольному пласту бурят минимально возможным диаметром (напри- . мер,)42 мм) на глубину, не превышающую

0 глубину зоны опорного давления с прибавлением величины зоны разгрузки, образуемой от действия на массив наклонными виброскважинами. После чего осуществляют расширение этих скважин в угольном

5 пласте до диаметра виброисточника (в нашем случае 75 мм). Причем расширение скважин осуществляют до месте установки виброисточника, т.е. оставляя в торце скважины передовой забой уменьшенного диаметра

0 глубиной не меньшей зоны безопасного опережения (и.о., который существенно усиливает дегазирующий эффект в массиве в результате его виброобработки. Виброобработку производят на всем протяжении обра5 батываемого участка угольного пласта, начиная с центральных зон, в каждой второй скважине (через одну) по длине забоя. Виброобработку в пласте осуществляют в этой (первой) группе скважин в течении 1

0 часа. Если после виброобработки призабой- ная часть пласта не перешла в невыбросоо- пасное состояние, то осуществляют дополнительную виброобработку пласта посредством виброисточников, установлен5 ных во второй группе скважин.

После вибровоэдействия на массив посредством скважин, пробуренных в угольном массиве, выемку угля осуществляют после выполнения процесса виброобработки массива на безопасную глубину, которую

устанавливают по формуле (4). Для определяемого tap пласта по динамике начальной скорости газо вы деления

1э.р. 1цик

: 3,5 м; 1н.о. 1 м, 3,,5,

То есть после выполнения способа безопасная глубина выемки в рассматриваемом случае составит 2,5 м.

Предложенный способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа, по сравнению с прототипом, имеет более высокую эффективность и безопасность, обусловленные следующими факторами:

возможностью более эффективной дегазации и разгрузки угольного массива без внедрения в особоопасные участки пласта;

снижением трудоемкости и повышением безопасности проведения мероприятия.

Кроме того, при использовании предлатаемого способа, время виброобработки шахт пласта значительно сокращается, прежде всего, за счет уменьшения количества скважин и возможности одновременного бурения скважин и виброобработки

пласта по всех скважинах, а также оптимального порядка их оборудования и воздействия на массив.

Применение способа возможно на всех выбросоопасных и особенно на крутых особовыбросоопасных шахтопластах, склонных к Обрушаемости при ведении- горных работ.

Формула изобретения

««- т где К - коэффициент гипосметрии пласта; m - мощность пласта;

Кэф - радиус эффективного влияния вибровоздействия скважины;.

b - глубина зоны ориентированных трещин;

а - глубина зоны перемятого угла, причем расстояние от устья наклоннойчжва- жины до пласта определяют по выражению

h atg a ,

где а - глубина зоны перемятого угла;

а - угол наклона скважин, осуществляют из указанных скважин виброобработку призабойной зоны пласта до перехода этой зоны в обычное выбросоопасное состояние, после чего освобождают скважины от виброисточников и устанавливают в них несущие элементы в качестве передового креплений, затем производят бурение скважин по углю в забое выработки и виброобработку угольного массива до снижения выбросоопасности до безопасного уровня.

2, Способ RO п.1, о т л и ч а ю щ и и с я Тем, что скважины в угольном пласте бурят на глубину, равную сумме размеров зоны опорного давления, определенной перед началом цикла вибровоздействия на пласт, и зоны разгрузки пласта в результате виброобработки из наклонных скважин, причем скважины бурят за зону забоя наклонных скважин минимально возможным диаметром и перед установкой в ни источников вибровоздействия расширяют до диаметра не менее диаметра виброисточника на глубину его установки, а в торце скважин сохраняют передовую часть уменьшенного диаметра, длиной не менее величины неснижаемого безопасного опережения для данного пласта.

Фцг.З

Фи г. Ь