Способ предотвращения динамических и газодинамическх явлений в массиве горных пород Советский патент 1981 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения динамических и газодинамических явлений в массиве rojD- ных пород.

Известен способ создания зоны разгрузки в массиве горных пород путем бурения скважины и последующего гид- роразрыва пласта Г13

Недостатком данного способа 5юляет- ся небольшая зона разгрузки.

Известен также способ предотвращения динамических и газодинамических fflane- НИИ в массиве горных пород, включающий бурение скважины в массив горных пород, создание из скважины в массиве горных пород ориентированной разгрузочной полости для образования зоны разгрузки, герметизацию скважины и воздействие на физико -механические свойства массива горных пород 21 .

Недостатком известного способа яв- ляетс:я относительно невысокая степень

разгрузки массива горных пород от действующих в нем напряжений.

Цель изобретения - повьш1ение эффективности мероприятий по предотвращению динамических и газодинамических явлений за счет рационального перераспределения напряжений в массиве горных порой.

Поставленная цель достигается тем, что в массиве горных пород определяют направление вектора действующего максимального главного напряжений и направление выраженной слоистости горных пород, разгрузочную полость в массиве горных пород располагают относительно направления вектора действующего максимального главного напряжения и направление выраженной слоистости горных пород, а угол наклона продольной оси разгрузочной полости определяют по

формуле

f,

где. и - угол наклона длинной оси поперечного сечения полости; /V- угол наклона вектора максималь ного главного напряжения; ( - угол наклона выраженной слоистости горных пород. При этом направление вектора действующего максимального главного напряжения определяют методом разгрузки или методом глубинных реперов. Кроме того, разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде щели или в BH/ie сближенных скважин расположенных в одной плоскости, при этом расстояние между скважинами принимают минимально возможным и не более трех диаметров скважины. На фиг. 1 приведена схема формирования и герметизации разгрузочной полости в массиве горных пород; на фиг. схемы ориентирования разгрузоч ных полостей в пластах Горных пород; на фиг. графики, характеризующие разгрузку гор ных пород при различном ориентировании щели относительно вектора максимального главного напряжения; на фиг. зоны разгрузки около разгрузочных полостей при различном их ориентировании на фиг. 5 - одна из технологических схе применения способа. В массиве горных пород, например в угольном пласте 1, пробуривают скважину 2 круглого сечения. В стенках ее на определенной длине, называемой рабочей частью полости, разделывают разгрузочную полость, например в виде щел 3. Устье скважины оставляют круглого сечения и герметизируют его с помощью герметизатора 4 Рабочую часть полости через трубопровод 5 подключают к дегазационному ставу (дегазация пласта) или насосу (нагнетание воды в плас -.GA , где (Т- действующие в масс иitidxве напряжения. Разделку щели осуществляют, например, с -применением гидравлической отбойки. Форму щели задают вытянутой, но не обязательно плоской. Могут использовать ЭЛЛипсообразные щели. Соот ношение длинной и короткой осей в сечении полости принимают два и более. Вместо щели можно использовать се рию взаимодействующих скважин круглого сечения, располагаемых в одной плоскости. В,этом случае расстояние между скважинами принимают минималь но возможным, но не более 3(3 , где 3 диаметр скважины. Количество скважин не менее трех. Герметизацию осуществляют -ВО всех скважинах, а к нагнетате 4.4 ному или дегазационному ставу подключают лишь часть из них. Дегазацию проводят до тех пор, пока не достигают критерия безопасного состояния, в качестве которого принимают остаточную газоносность.. При использовании скважин для увлажнения массива горных пород, опасного по динамическим явлениям степень влажнения устанавливают в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на щахтах, разрабатывающих пласты, опасных по горным ударам Ориентирование разгрузочной щели в массиве горных пород выполняют с учетом направленности скважин относительно плоскости пласта. На фиг. 2а приведены расчетные схемы ориентирования плоскопараллельных щелей или заменяющих их серий скважин, располагаемых по простиранию пласта; на фиг. 26 и в - схемы ориентирования щелей в скважинах по восстанию или пересекающих пласт пс нормали. На разрезах А-А и Б-В видно, что в этих случаях щель ориентируют нормально к пластованию, так как направление слоистости о6 О, а угол и на разрезе но простиранию всегда равен 90°. При этом не имеет значения наклон вектора максимальных главных напряжений на разрезе по падению. Это относится к пластам, например, угля со спокойным залеганием. В нарушенных участках и в породах не угольного состава направление максимального напряжения, как и слоистость, могут быть иными. Угол JT, определяющий направление максимального главного напряжения, зависит от многих факторов, в том числе от угла падения, структуры и прочностных свойств вмещающих пород, тектонической нарушенности, рельефа земной поверхности. Определяют угол J экспериментально, например методом разгрузки. Разделка плоской щели обеспечивает разгрузку пород в определенном направлении, перпендикулярном ее плоскости и концентрацию напряжений в местах заделки - в области, прилегающей к тор- цам щели. Таким образом, в направлении, перпендикулярном плоскости щели, образуется коридор разгруженных от давления пород, в котором обнаружена повышенная проницаемость флюидов газа или воды. Однако степень разгрузки и повышения фильтрационной способности горных пород зависит от ориентации разгрузочной полости относительно действуюгиегО M.aKcuMflKkiiioro ivi/snnoro напряжения. При ориентировании разгрузочной полости вдоль максимального главного напряжения разгрузка пород в прилегаю щей к скважине области повышается (кривая 1 на фиг. 3). При расположени скважины но нормали к максимальному напряжению разгрузка снижается. На фиг. 4 приведены схемы, характеризующие сравнительный эффект разгрузки и повьпиенной газоводопроницаемости в идентичных условиях неравнокомпонентного нагружения массива. Век тор максимального главного напряжения принят по вертикали. На фиг. 4а показана область разгрузки около круглой скважины. Эта область имеет место и распространяется в вертикальном направ лении. Но размеры ее чрезвычайно малы и не могут дать практического эффекта. При разделке разгрузочной полости в на правлении, перпендикулярном напряжению G , эта область увеличивается (фи 46). Но расширение это обязано главны образом геометрическому размеру и новой форме полости, т. е, переходу от круг формы к плоской. Главный эффект может быть получен за счет механизма деформирования пород в окрестности щели. Наиболее вьподным образом с образованием максимального разгружающего дей ствия это достигается при ориентировании щели параллельно напряжению (j (фиг. 4в). В массиве, например, осадочных пород существенное влияние на газопроницаемость оказывает также направленная слоистость, которая, например, в угольном пласте совпадает с плоскостью напластования. Наибольший эффект повышения газопроницаемости за счет проявления слоистости достигается при нормал.ьном к выраженной слоистости направлении щели. Эффект повьпиения газопроницаемости в окрестности полости может быть достигнут и применением скважин круглой формы при условии сближенности их на такое расстояние, что перемычки скважинами под действием горного давления приходят в предельное соЬтояние и деформируются. Серия таких скважин имитирует щель. Условие перехода перемычек угля в предельное состояние может быть записаноLi2d где Ij - расстояние между скважинами; - диаметр скважин; CT - действующие в массиве, нормаль ные к плоскости расположения скважин напряжения; МБ прочность на сжатие образцов угля кубической формы. В условиях глубины работ 6ОО м и прочности угля 60 кгс/см предельна допустимое расстояние между скважинами составляет 5d. С учетом коэффициента запаса в нашем подходе это расстояние принято 3 8. Пример. Применительно к условиям разработки пластов угля в Карагандинском бассейне, где по причине малой эффективности и больщих сроков дегазации существенно затруднена разработка выбросоопасных газоносных пластов, осуществляют дегазацию пологого (с1 20 ) опасного по газодинамическим явлениям пласта угля, разрабатываемого по системе длинными столбами по падению (фиг. 5). Из уклона 6 пробуривают длинные горизонтальные скважины 2, обеспечивающие дегазацию выемочного столба, в том числе и полосы угля, по которой проходят передовой уклон 7. Основным недостатком является большой срок дегазации 8-12 месяцев. Прохождение уклона 7 откладывается на этот срок и участок опаздьшает с подготовкой фронта очистных работ. С использованием предлагаемого способа можно ускорить срок дегазации столба в делом либо лшиь полосы для прохождения уклона 7 (фиг. 5). В этом случае разделку разгрузочных полостей 3 выполняют лишь на участке длиной 1О-12 м в призабойной части скважин. Направление максимальных напряжешй устанавливают экспериментельно. Примем, по аналогии с имеющимися данными, 3 ЮО. Тогда р 100 1100. Наклон щели принимают равным НО . Размер разгрузочной полости при диаетре скважин 150 мм принимают не енее ЗОО мм. Способ обеспечивает сокращение сроа дегазации полосы угля 8 в 3-4 раза уклон 7 может быть пройден своевреенно и в безопасных по газодинамичесим явлениям условиях. Формула изобретения 1, Способ предотвращения динамичесих и газодинамических явлений в маесиве горных пород, включающий бурение скважины в массив горных пород, создание из скважины в массиве горных пород ориентированной разгрузочной полости для образования зоны разгрузки, герметизацию скважины и воздействие на физико-механические свойства массива горных пород, отличающийся тем, что, с цепью повышения эффективности предотвращения динамических и газодинамических явлений за счет рационального перераспределения напряжений в массиве горных пород, в массиве горных пород определяют направление вектора действующего максимального главного напряжения и направление выраженной слоистости горных пород, разгрузочную полость в массиве горных пород ориентируют относительно направления вектора действуюи ёго максимального главного напряжения и направления выраженной слоистости горных пород, а угол наклона продольной оси разгрузочной полости опрецеляют по формуле

--т I

где R - угол наклона оси поперечного сечения полости;

ор - угол наклона вектора максимального главного напряжения; о(. - угол наклона выраженной слоистости горных пород, 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что направление вектора действующего максимального главног напряжения определяют методом разгрузки

3.Способ по пп, 1и 2, отличающийся тем, что направление вектора .действующего максимального главного напряжения определяют методом глубинных реперов.

4.Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде щели.

5.Способ по пп. 1-4, о-тличающийся тем, что разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде сближенных скважин, расположенных в одной плоскости, при этом расстояние между скважинами принимают минимально возможным и не более трех диаметров скважиньи

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Руководство по дегазации угольных щахт. М., Недра, 1975, с. 4О-5

2.Авторское свидетельство СССР № 655839, кл. Е 21 F 5/ОО, 1977.

)

; /(/6-6

.,V

Ш

)

6,

v

)

I V U

Фиг л m . ... . r-v .// .