Способ вибрационного воздействия на горные породы

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для упрочнения или разупрочнения горных пород в массиве. Цель изобретения - расширение области применения способа за счет возможности получения различных эффектов при повышении эффективности воздействия . В горном массиве бурят рабочую скважину(С), обустраивают ее и определяют основную частоту вибровоздействия (ВБ) на массив. На удалении 3-5 длин волн основной частоты от рабочей С бурят дополнительные С, размещают в них невзрывные пневмоисточники и возбуждают в них одинаковые колебания. ВБ на массив оказывают поэтапно. На первом этапе в диапазоне частот 60-1500 Гц подают в рабочую С жидкость с добавлением кварцевого песка с размером частиц 0,03-0,15 мм и 2% ПАВ. На втором этапе В Б осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия в массиве сменяют деформации растяжения . На третьем этапе переходят на частоту ВБ 150 Гц, производят нагнетание в породы разупрочняющих или упрочняющих растворов и осуществляют В Б до достижения заданного эффекта. 2 з.п. ф-лы. 1 ил. te

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s Е 21 С 41/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ л

1 (21) 4723748/03 (22) 26,07,89 (46) 23.01.93. Бюл. М 3 (72) А,В. Бакулин и, В,Н. Бакулин (73) А,В. Бак улин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 981622, кл, Е 21 F 7/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1647157, кл, Е 21 С 41/16, 1989, (54) СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ (57) Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для упрочнения или разупрочнения горных пород в массиве. Цель изобретения — расширение области применения способа за счет возможности получения различных эффектов при повышении эффективности воздействия. В горном массиве бурят рабочую

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при упрочнении или разупрочнении горных пород в массиве для решения гео- и горно-технологических задач.

Известен способ вибрационного воздействия на горные породы, включающий бурение скважин, размещение в них источников колебаний вращательного и возвратно-поступательного ударного воздействия, определение векторов минимального и максимального главных напряжений в народном массиве, причем оси источников колебаний располагают по линии действия одного из главных напряжений, возбуждают в массиве колебания и воздействуют на горные породы.

„„ Д „„1790675 АЗ скважину(С), обустраивают ее и определяют основную частоту вибровоздействия (ВБ) на массив. На удалении 3 — 5 длин волн основной частоты от рабочей С бурят дополнительные С, размещают в них невзрывные пневмоисточники и возбуждают в них одинаковые колебания. ВБ на массив оказывают поэтапно. На первом этапе в диапазоне частот 60 — 1500 Гц подают, в рабочую С жидкость с добавлением кварцевого песка с размером частиц 0,03 — 0,15 мм и 2% ПАВ. На втором этапе ВБ осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия в массиве сменяют деформации растяжения. На третьем этапе переходят на частоту

ВБ 150 Гц, производят нагнетание в породы разупрочняющих или упрочняющих растворов и осуществляют ВБ до достижения заданного эффекта. 2 з.п, ф-лы. 1 ил.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет работать в выбранном диапазоне частот и осуществлять синхронизацию работы группы виброисточников, локален и обладает малым КПД передачи энергии сейсмических колебаний с горные породы, Известен способ вибрационного воздействия на горные породы, включающий бурение в горном массиве рабочей скважины и ее обустройство, определение основной частоты вибровоздействия на горный массив, бурение на удаление от рабочей скважины 3 — 5 длин волн основной частоть; дополнительных скважин, размещение в них невзрывных пневматических источников колебаний с ориентацией их оси в направлении действия максимальных главных

,О

О о, 4 (Ql (л) 1790675

Рр Vp=Pг.п г.п напряжений в массиве, возбуждение в источниках колебаний, поэтапное вибрационное воздействие на массив частотой на первом этапе в диапазоне 60 — 1500 Гц, подачу в рабочую скважину при достижении в массиве напряжений, равных 0,5, разрушающей рабочей жидкости с добавлением кварцевого песка и последующее вибровоздействие частотой, равной частоте колебаний горного массива.

Известйый способ не учитывает свойств рабочих жидкостей при их нагнетании, не использует оптимальные условия достижения проницаемости горных пород при оценке деформационных свойств горного массива и нагнетание расклинивающих агентов для увеличения гидро- и аэродинамических связей горного массива.

Цель изобретения — расширение области применения способа за счет возможности получения эффекта как разупрочнения, так и упрочнения пород при повышении эффективности воздействия, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу в рабочую жидкость добавляют 2 / ПАВ, размер частиц кварцевого песка или других минеральных добавок принимают равным 0,03 — 0,15 мм, вибровоздействие на втором этапе осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия сменяют деформации растяжения, после чего переходят на частоту вибровоздействия 150 Гц и производят нагнетание в породы разупрочняющих или упрочняющих растворов, причем процесс вибровоздействия продолжают до достижения заданного эффекта.

Акустическое сопротивление рабочей жидкости с минеральными добавками выбирают из условия где pp, Vp u pr.n, V,,q — соответственно плотность и скорость упругих волн в материале рабочей жидкости и горных породах массива. Амплитуду давления в первой полуволне источника колебаний определяют из выражения

Анпи = 0,015(Pv) /R, а знакопеременное давление, развиваемое в упругой волне, - из выражения

0 = Pp+ АС р в cos(à t — x/ñ); где P — давление в источнике колебаний;

v — объем камеры давления в источнике;

R — глубина размещения источника в скважине;

Р> — давление в порах и трещинах горной породы на глубине источника при отсутствии упругой волны;

А — амплитуда смещения в упругой волне; р- плотность пород; с — скорость упругой волны; со = 2 x/Т вЂ” круговая частота; с — время;

x — текущая координата, На чертеже показана часть горного массива, горизонтальное сечение; 1 — горный массив; 2 — выработка, 3 — скважина для размещения виброисточника; 4 — виброисточники; 5 — упруговяэкое тело; 6 — компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7; 7 — электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников; 8 — анализатор спектров; 9 — приборы для измерения горного давления до, во время и после вибровоздействия; 10 — контрольная скважина с датчиками давления горных пород; 11 — нагнетательные скважины.

Способ осуществляют следующим образом. С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину 10, определяют поле напряжений и главные векторы о> и 02 в породном массиве, в котором следует ослабить напряжения и привести его в возбужденное состояние, Бурят скважины 3 и устанавливают в них невзрывные пневматические источники колебаний 4 с учетом горнотехнологической ситуации, при этом оси источников колебаний устанавливаются B плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения, Максимальный диаметр скважины 3

ФЗОΠ— 500 мм, глубина 5 — 12 м, Эти параметры выбирают исходя из условий волнового подобия — возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в теле горной выработки 2, составляющая 3 — 9/ всей запасенной в источнике от компрессора 6 высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7 (60 — 300 атм и более). Глубина скважины 3 оптимальна величине давления, обеспечиваемого упруговязким телом 5, например столбом воды, заполняющей скважину, определенной экспериментально в морской сейсморазведке на акваториях и составляющей для диапазона 60-1500 Гц примерно от 5 до 12 м.

Скважины 3 бурят на удалении от места вибровоздействия в 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив. Исходя из условий волнового подобия при скорости

1790675

25

P-волн в массиве, равной 3000 мlс, на частоте 60 Гц длина волны равна (3000 м/с)/(60 Гц) = 50 м, на частоте 1500 Гц — 3000 м/с)/(1500 Гц) = 2 м, т,е. на удалении 3 — 5 длин волн это составит 150 — 200 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений, излучаемое виброисточником, распределение равномерное, в то время как на удалениях, меньших этого расстояния, оно неравномерно.

Время воздействия — время синхронной работы группы виброисточников до приведения горного массива в неудароопасное состояние посредством электронного пульта управления 7 с использованием анализатора спектров 8, имеющего обратную связь с компрессором высокого давления и позволяющего синхронизировать работу группы виброисточников во времени; во время зависит от обводненности горного массива и геомеханических условий его залегания-напряженно-деформированного состояния пород в массиве, обусловленного весом вышележащих пород, При синхронной работе группы источников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем напряжений в знакопеременной упругой волне и равного примерно 0,5 от разрушающих напряжений, действующих в горном массиве, с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в массиве относительную подвижность структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и частичную дегазацию горного массива и уменьшение динамики проявления горного давления, Эти явления имеют место как при работе группы виброисточников, так и в случае работы одиночного источника.

Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, а именно; методом разгрузки с использованием тензодатчиков; ультразвуковыми методами; методами с использованием сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии; сейсмическими методами исследований.

Воздействуя на горный массив мощными вибрационными нагрузками, измеряют напряженно-деформационное состояние пород в массиве и при достижении в массиве напряжений, равных 0,5 от разрушающих, нагнетают в массив воду с 2%-ной добавкой ПАВ и расклинивающими агентами, чтобы не дать трещинам и порам, раскрывающимся под воздействием вибраций. закрыться. Вибровоздействия в диапазоне

60-1500 Гц осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия пород не сменят деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости пород, после чего переходят на частоту вибровоздействия 150 Гц и нагнетают в породы разупрочняющие или упрочняющие растворы и вибровоздействия производят в течение времени, при котором достигают положительного эффекта. Для лучшей передачи энергии сейсмических колебаний в горный массив величину акустического сопротивления материала упруговязкого тела подбирают примерно равной величине акустического сопротивления пород, слагающих массив. Таким образом, горный массив обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в широком диапазоне частот, что способствует увеличению проницаемости горного массива и снижению процесса энергоемкости при одновременном увеличении его производительностии.

По истечении необходимого времени виброисточники выключают и переносят на новое место или оставляют на старом, если сохраняется повторная возможность воздействия на горный массив и достижения в нем положительного эффекта.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных колебаний, передаваемых выхлопами сжатого воздуха под давлением 60 — 300 атм и выше, из источника в скважину, заполненную упруговязким телом, примерно от 3 до

9% всей запасенной в источнике энергии переходит в сейсмические колебания и генерируется в массив в диапазоне 60 †15

Гц. Под действием упругой волны в массиве возникают волны сжатия и растяжения, которые воздействуют на флюиды-жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах пород, как тектонический насос, т.е. способствуют их миграции на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие упругой волны, Миграция флюидов в порах и трещинах сопровождается изменением порового давления и, как правило, изменением прочностных свойств пород, окружающих эти поры и трещины, т.е, на пути мигрирующих флюидов происходит перераспределение поля упругих напряжений, сопровождающееся частичной дегазацией горного массива при приведении локального участка горного массива в возбужденное состояние, Это явление, названное упругим миграционным геоэффектом, имеет место в любых диапазонах частот (от герц до сотен килогерц) и проявляется при соблюдении следующих условий: если длина волны соиз1790675 мерима с размерами пор и трещин по простиранию; если направление распространения упругой волны совпадает с направлением простирания пор и трещин в массиве; если знакопеременное давление в упругой волне равно или превышает величину (0,5) от разрушающих напряжений, обусловленных горным давлением веса вышележащих пород.

Вибрации содействуют раскрытию пор и трещин, а технологический раствор ПАВ с расклинивающими агентами размерами

0,03-0,15 мм, с одной стороны, делают поры и трещины сообщающимися *ПАВ "съедает" перегородки между ним), а с другой, не дают порам и трещинам закрыться, служат новыми концентраторами пор и трещин, увеличивают трещиноватость пород и повышают гидро- и аэродинамические связи горного массива, вследствие чего после приведения локального участка горного массива в возбужденное состояние, а также в неудароопасное состояние в нем получают эффекты разупрочнения или упрочнения, и вибровоздействия осуществляют на частоте 150 Гц до достижения положительного эффекта.

Формула изобретения

1. Способ вибрационного воздействия на горные породы, включающий бурение в горный массив рабочей скважины и ее обустройство, определение основной частоты вибровоздействия на горный массив, бурение на удалении от рабочей скважины 3-5 длин волн основной частоты дополнительных скважин, размещение в них невзрывных пневматических источников колебаний с ориентацией их оси в направлении действия максимальных главных напряжений в массиве, возбуждение в источниках колебаний, поэтапное воздействие на массив частотой на первом этапе в диапазоне от 60 до

1500 Гц, подачу в рабочую скважину при достижении в массиве напряжений, равных

0,5 разрушающих, рабочей жидкости с добавлением кварцевого песка и последующее вибровоздействие частотой, равной частоте колебаний горного массива, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения способа за счет возможности получения различных эффектов при повышении эффективности воздействия, в рабочую жидкость добавляют 2

ПАВ, размер частиц кварцевого песка или других минеральных добавок принимают равным 0,03 — 0,15 мм, вибровоздействие на

Изобретение позволяет свести поле напряжений в горном массиве к равномерному и разгрузить массив от накопившихся в нем напряжений без остановки технологического процесса при отработке месторождения подземным способом; создать оптимальные условия для закачки упругой энергии в тело горной выработки в выбранном диапазоне частот в режиме накопления при неизмененных контактных условиях; свести вероятность динамики проявления горного давления к минимуму; повысить проницаемость горных пород в массиве и создать условия для проявления как эффекта разупрочнения, так и упрочнения горных пород в массиве; повысить эффективность способа за счет снижения энергоемкости и увеличения производительности.

Использование изобретения позволит снизить энергоемкость процесса и увеличить гидро- и аэродинамические связи горного массива за счет повышения трещиноватости горных пород в массиве по сравнению с известными традиционными способами разгрузки горного массива, например методом сотрясательного взрывания. втором этапе осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия сменяют деформации растяжения, после чего переходят на частоту вибровоздействия 150

Гц и производят нагнетание в породы разупрочняющих или упрочняющих растворов, причем процесс вибровоздействия продолжают до достижения заданного эффекта, 2, Способ пои, 1, отл и ча ю щи и с я тем, что акустическое сопротивление рабочей жидкости с минеральными добавками выбирают из условия:

Pp Vp =P r.ï V г.п где рр Vp u p r.ï, V r.n —, соответственно плотность и скорость упругих волн в материале рабочей жидкости и в горных породах массива.

3. Способ по и. 1, отличающийся тем, что амплитуду давления в первой полуволне источника колебаний определяют из выражения

Анпи = 0,15(Р V) R, гз а знакопеременное давление, развиваемое в упругой волне, — из выражения о= Р,+ А Сра cos(вt х/с); где P — давление в источнике колебаний;

V — объем камеры давления в источнике;

1790675

10 не;

Составитель А.Бакулин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор З.Салко

Редактор Г,Бельская

Заказ 370 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

R — давление в источнике колебаний;

Ро — давление в порах и трещинах горной породы на глубине источника и ри отсутствии упругой волны;

А — амплитуда смещения в упругой волр- плотность пород; с — скорость упругой волны; а- 2л /Т вЂ” круговая частота;

t — время; ч — текущая координата.