Способ разгрузки горного массива от напряжений Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 E21D5/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть, использовано для управления состоянием и свойствами пород в массиве в. различных областях наук о Земле.

Цель изобретения - повышение эффек- .тивности способа.

На чертеже приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - горная выработка, 3 - угольный пласт, 4 - скважины для проведения гидроразрыва, 5- гидроимпульсаторы; 6, 7, 8 - скважины 6 с размещенными в них источниками 7 и заполненными упруго-вязким телом 8; 9 - ком- прессор высокого давления, 10 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы источников колеба- .

НИИ.

Способ осуществляют следующим обра- 00 зом,С

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную (J скважину, определяют поле напряжений и (п главные векторы (71 и о г в породном мае- л сиве, где следует ослабить напряжения.

В выработке, пройденной на том же го-. v ризонте, на удалении 3-5 длин волн основ- J ной частоты, генерируемой в массив 1, бурят СО скважины 6 диаметром 300-500 мм и глубиной 5-7 м и размещают в них внезврывные пневматические источники 7 в один ряд, причем, направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в породном массиве основной выработки 2, то есть источники устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения.

После этого бурят скважины 4, предназначенные для гидроразрыва, обустраивают их устьевой арматурой и подключают к гид- роимпульсатору 5 для нагнетания в него давлением инертного газа с расклинивающими агентами, чтобы при достижении в скважинах гидроразрыва не дать образовавшимся трещинам закрыться. Нагнетают газ под давлением, производят гидрораз- рыв одновременно в нескольких скважинах в горном массиве. Это необходимо для развития в массиве сети фильтрационных трещин,

Для того, чтобы улучшить гидро- и аэродинамические связи в горном массиве максимальный диаметр и глубину скважин 6 выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-150 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело горной выработки 2 или угольного пласта 3, составляющая 3-9% всей энергии, поступающей в источник 7 от компрессора высокого давления 9 от 60 до 300 атм. Глубина скважины 6 оптимальна величине давления столба воды или другого упруго-вязкого тела 8 в качестве которого обычно используют мокрый кварцевый песок, штыб или другие минеральные добавки, которыми заполняют скважину 6 после размещения в ней источников 7 и определенной экспериментально ранее в морской сейсморазведке на акваториях и составляющей для диапазона 60-150 Гц примерно 5-7 м (атмосфер). Скважины 6 бурят на удалении 3-5 длин волн основной частоты, от места проведения эксперимента-разгрузки горного массива от напряжений. Исходя из условий волнового подобия при скорости Р-волн в массиве, равной 3000 м/с длины волн, на частотах 60 Гц составляют (3000 м/с)/(60 Гц)50 м 1500 Гц 2 м,то есть на удалении 3-5 длин волн это составит 150-200 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений создаваемое источником распределено равномерно, в то время как на удалениях равным длине волны или меньше ее, оно неравномерно.

Время воздействия - время синхронной работы группы источников для приведения горного массива в возбужденное состояние, регулируемое посредством электронного пульта управления 10 зависит от обводнен- ности горного массива и его напряженно- деформированного состояния.

При синхронной работе группы источников амплитуду колебаний медленно поднимают от минимально возможного уровня

до максимального уровня, определяемого уровнем смены деформаций сжатия деформациями растяжения с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений

горного давления, затем нагнетают в.массив инертный газ с расклинивающими агентами и вибровоздействие производят одновременно с нагнетанием разупрочняю- щего раствора в скважины, причем, в качестве разупрочняющего раствора используют 2% растворы гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, а в качестве расклинивающих агентов используют графит, сажу, кварц,измельченные до

размеров 0,03-0,3 мм,и контролируют напряженное состояние пород в массиве до, во время и после вибровоздействия геофизическими методами исследований: ультразвуковыми методами; методами с

использованием сеисмоакустической и

электромагнитной эмиссии; сейсмическими методами исследований.

Воздействуя на массив вибрационными нагрузками измеряют его напряженно-де5 фомированное состояние и при достижении в нем напряжений равных 0,5 от разрушающих нагнетают в массив разупрочняющие растворы. Для повышения устойчивости горных выработок после разупрочнения

0 массива в кровлю нагнетают скрепляющие растворы в совокупности с анкерованием пород. Таким образом, массив после гидроразрыва и наведения в нем фильтрационных трещин подвергается дополнительно

5 обработке всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок вызванных вибрационными колебаниями в диапазоне 60-150 Гц, что способствует повышению эффективности способа.

0 Сущность способа заключается в том, что осуществление гидроразрыва посредством нагнетания в скважины под давлением инертного газа с расклинивающими агентами более эффективно, чем гидроразрыв с

5 использованием нагнетания технологических рабочих растворов, так как газы более эффективно проникают в поры и трещины, то есть газы обладают более сильной проникающей способностью по сравнению с

0 жидкостями, причем, этот эффект диффунди- рования газов через поры и трещины массива усиливается за счет воздействия вибрационными колебаниями в диапазоне 60-150 Гц. Молекулярное сито, которое

5 представляют собой горные породы, позволяет диффундировать инертным газам более свободно в поры и трещины, чем жидкостям, что в свою очередь снижает прочность пород и при миграции в них расклинивающих агентов, оседающих в порах и

трещинах и не дающих им закрыться и в свою очередь служат новыми концентраторами напряжений в массиве.

Вибровоздействия способствуют повышению проницаемости пород в массиве/го есть на пути распространения упругих волн возникают волны сжатия и растяжения,под воздействием которых флюиды-жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах пород, мигрируют во много раз быстрее, чем в отсутствие упругих болн, то есть вибрации действуют как ТЕКТОНИЧЕСКИЙ НАСОС, причем, миграция флюидов сопровождается, как правило, изменением прочностных свойств пород окружающих эти поры и трещины - перераспределением поля упругих напряжений на пути мигрирую- щ их флюидов и частичной дегазацией локального участка массива, подверженного вибровоздействиям. Авторы назвали это явление УПРУГИМ МИГРАЦИОННЫМ ГЕОЭФФЕКТОМ, который имеет место в любых диапазонах частот - от герц до Мгц и способствует миграции флюидов в массиве гор- ных пород при нагнетании в него разупрочняющих (или упрочняющих) растворов при решении различных гео- и гор- нотехнологических задач. Скрепляющие растворы,поступаемые из скважины в при- контурные горные породы,способствует более полному заполнению пор и трещин и после застывания обделка горной выработки составляет с массивом одно целое и прочность пород повышается на 20-40%, что проверено методом гидроразрыва до и после вйбровоздействия.

Преимущества способа состоят в следующем: создание сети фильтрационных трещин после гидроразрыва; создание оптимальных условий возбуждения в горном массиве сейсмических колебаний в вы- бранном диапазоне частот при неизмененных контактных условиях, свести к минимуму вероятность динамики горного давления и внезапных выбросов угля, породы и газа; привести массив в неудароопас- ное состояние; повысить проницаемость горных пород в массиве и увеличить гидро- и аэродинамические связи горных пород; повысить эффективность способа, снизить до 80% объемы бурения шпуров и скважин по сравнению с методом сотрясательного взрывания.

Использование заявляемого способа позволит повысить эффективность способа, снизить трудоемкость горных работ и вероятность проявления динамики горного дав- ления и внезапных выбросов угля, породы и таза по сравнению с известными способами , не использующими методы выбора диа- / пазона и интенсивностей сейсмических колебаний для разгрузки горного массива от напряжений.

Формула изобретения

1. Способ разгрузки горного массива от напряжений, включающий вибровоздействие на массив низкочастотными колебаниями

до возникновения в нем растягивающих деформаций вибраторами, размещенными в скважинах, пробуренных в направлении наименьшего ослабления массива, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности способа, предварительно осуществляют разрыв мас- сива нагнетанием инертного газа с расклинивающими агентами, а вибровоздействие проводят с одновременным нагнетанием в скважины разупрочняющего раствора,

при этом в качестве направления наименьшего ослабления массива принимают направление главного минимального напряжения.

2. Способ по п. 1, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что число необходимых периодов вибровоздействия определяют из соотношения

П-° 9УН А

где уН - геостатическое давление пород; А-амплитуда упругой волны вибровоздействия. .

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве расклинивающих агенств используют графит, сажу или кварц, измель- ченные до размеров 0,03-0,3 мм.

4. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют 2%-ные растворы гидро- . окиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом.

5. Способ по пп. 1-4, отличающий- с я тем, что, с целью повышения устойчивости выработки, после разупрочнения массива в кровлю выработки нагнетают скрепляющие растворы.

6. Способ по пп. 1-5, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что в процессе обработки массива контролируют его напряженное состояние с помощью геофизических методов.

Использование: управление состоянием массива горных пород при его отработке. Сущность изобретения: предварительно определяют в разгружаемом массиве направление главных напряжений. В -плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения, бурят скважины. В части скважин осуществляют гидроразрыв путем нагнетания в них инертного газа с расклинивающими агентами. В качестве таких агентов используют графит, сажу или кварц, измельченные до 0,03-0,3 мм, В других скважинах размещают виброисточники. Проводят вибровоздействие на массив низкочастотными колебаниями. Вибровоздействие осуществляют до возникновения в массиве растягивающих деформаций.Одновременно с вибровоздействием в скважины нагнетают разупрочняющие растворы. Для повышения устойчивости выработок после разупрочнения массива в кровлю выработок нагнетают скрепляющие растворы. В процессе воздействия на массив контролируют его напряженное состояние геофизическими методами, 5 з.п. ф-лы. 1 ил. ел С