Способ вибрационно-скважинного воздействия на горный массив для снижения выбросоопасности

 

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (s1)s Е 21 F 5/00

ДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

OMCTBO СССР

ПАТЕНТ СССР) Г СУ

В д (Г С

ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

К В (21 (22 (4б (75 (56

Яо

4730989/03

22.08,89

07.02.93. Бюл. t4 5

С.П. Минеев

Авторское свидетельство СССР

093829, кл. Е 21 F 5/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

31173, кл. Е 21 5/00, 1985.

СПОСОБ В ИБРАЦИОННО-СКВАНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЙ

СИВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСООНОСТИ забретение предназначено для предащения выбросов угля и газа при разрае крутых особо выбросоопасных и осоопасных угольных пластов. В ключарение скважин во вмещающих породах и и почвы пласта с наклоном в сторону раще круть пасн шаем

И пасно длин роист ботку

О безоп в особ вяэыв

Н ности ется с на ма

N. 3 (54

ЖИ

MA

ПА (57) отв бот выб ет6 кров зобретение относится к горной проенности, предназначено для предотвия выбросов угля и газа при разработке х особовыб )осоопасных и выбросоох угольных пластов, склонных к обрусти, вестен способ снижения выбросооти, включающий бурение скважин по забоя выработки, установку в них вибчников и последующую виброобрагольного массива. нака данный способ не достаточно сен, поскольку при бурении скважин опасных зонах пласта возможно разние газадинамического явления. иболее близким по технической сущпредлагаемому изобретению являособ виброимпульснаго воздействия с ив для предотвращения выбросов. пласта и внедрением их в уголь призабойной части, В недряют наклонные скважины в уголь на глубину не более. эффективного радиуса влияние вибровоздействия скважин по мощности. При этом определяют оптимальный угол наклона скважин к плоскости пласта по формуле. Затем осуществляют из указанных скважин виброобработку призабойной зоны пласта до перехода этой зоны в обычное выбросоопасное состояние. После виброобработки освобождают скважины от виброисточников, устанавливают в них несущие элементы в качестве передового крепления и бурят скважины по углю в забое выработки. Производят вибраобработку угольного массива до снижения выбросоопаснасти до безопасного уровня. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ включает в себя бурение скважин в рядами во вмещающих породах на определенном расстоянии от угольного массива, установку в них источников воздействия и после перехода обрабатывающей зоны пласта из особавыбросоопасного состояния в выбросоопасное бурение скважин в уголь-. ном пласте, проведение вибровоздействия, 6д 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 обусловлена значительным - затуханием виброволн во вмещающих пласт породах и, следовательно, осуществление воздействия непосредственно на уголь волнами с весьма невысокими амплитудами из-за их затуха1793063 (2) (3) 45

Цель изобретения — повышение эффективности и безопасности работ по снижению выбросоопасности путем дополнительного. "5 дегазирования и разгрузки пласта без внедрения в особоопасную зону призабойной части крутого угольного массива, склонного к обрушаемости, Поставленная в изобретении цель до- 20 стигается тем, что s 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 25 обрабатываемой зоны пласта (или за счет других природных процессов) из особоопасного состояния в выбросоопасное бурение скважин в угольном пласте, проведение в них вибровоздействия и контроля эффек- 30 тивности необходимо выполнить следующие операции. Бурят наклонные скважины для оборудования виброскважин во вмещающих пласт породах с внедрением их в уголь призабойной части пласта в зоне ори- 35 ентированных трещин, осуществляют с их помощью виброобработку призабойной части пласта до ее перехода в обычное выбросоопасное состояние, после этого освобождают эти скважины и устанавлива- 40 ют 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 вябровоздействия каждой виброскважины, а проекции оборудованных виброскважин ориентируют перпендикулярно к пласту.

- -Причем оптимальный угол наклона скважин к оси пласта. устанавливают используя зависимость где k — коэффициент возможного изменения гипосметрии пласта в пределах его призабойной части, k = 0,0 — 1,1;

b — глубина в призабойной части пласта эоны ориентированных трещин, м; а — глубина в призабойной части пласта эоны перемятого угля, м; а — мощность пласта, м;

Вэф.. — радиус эффективного влияния каждой виброскважины (радиус разгрузки и дегаэирования пласта), м.

Величина (и) расстояние от устья наклонной скважины до пласта определяем по формуле

h-а ° gaga

Определение величины а и Ь 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 трещинообразования вокруг виброскважины полностью пересекали обрабатываемый массив, à определяется это значениями радиуса эффективного. влияния виброскважины. Радиус эффективного влияния одной виброскважины определяют принимаемыми параметрами вибрации и времени виброобработки в этой скважине, Причем, используя известные механизмы влияния вибрации на угольный массив, и также известные результаты исследований получают где N =1 в; h,К =2стд БТ;

С и а- постоянные малоцикловой усталости угля, определяем экспериментально; (7 я — амплитуда вибрационного воздействия на массив, Па; ! — глубина (условная) трещин в угольном пласте, м; у Н вЂ” гидростатическое давление в пласте, Па;

Š— модуль упругости угля, Па; у " — поверхностная эффективная энергия разрушения угля, Дж/м;

1793063 цик. <1н.Ь (5) 15

30 дом цикле сооружает дополнительно, а на35

Рассматривая основные особенности

40 приемов в операций автор хотел бы ввести

45 м — коэффициент Пуассона; т — принятое время виброобработки, с; а- частота виброобработки, Гц.

Используя выражение легко рассчит ть радиус эффективного влияния виброд йствия, причем уменьшение (увеличение) о ного параметра вибрации легко компенс ровать изменением другого, что видно по в ражению (2);

Кроме того, для повышения эффективн сти способа авторами предложен ряд дополнительных приемов и операций, к торые заключаются в следующем,.

Согласно основной формуль1 изобретен я, после виброобработки. массива пос едством скважин, пробуренных через в ещающие пласт породы, осуществляют в брообработку в скважинных, пробуренных в угольном пласте;. Эти скважины в у ольном массиве бурят после виброобраб тки пласта через проекции наклонных с ва>кин, Эти скважины бурят на глубину, не превышающую суммарную величину глубиы зоны опорного давления, определенной (апример, по динамике начальной скорос и газовыделения) перед началом цикла, и в личины разгрузки пласта в результате в брообработки наклонных скважин (опреляемой, например, по начальной скорос и газовыделения).. Причем скважины в . у ольном массиве далее глубины зоны нах ждения забоя наклонных скважин бурят у еньшенным, т.е. минимально возмо>кным иаметром. Перед установкой в эти скваины вибраторов их расширяют до его диметра, а в торце оставляют передовой

3 бой минимального диаметра глубиной е менее! н.о.

Скважины, пробуренные в угольном ласте, делят на две группы: четные и нечетые. Виброобработку этими скважинами существляют поочередно в первой и втоой группе скважин, в каждом последуюем цикле выемки пласта. Вместе с этим, в учае неэффективного вибрационного возействия на массив производят в этом же икле виброобработку посредством второй г уппы скважин, используя первые в качес ве дегазационных.

После вибровоздействия на массив по- 5 л средством наклонных скважин последние спользуют в качестве дегазирующих угольНый массив и производят через них отсос г за из массива. По окончании виброобраотки пласта и осуществления контроля эф- 5 ективности применения способа цикл

ыемки угля (!цнк.) осуществляют на глубину глубь массива не превышающую глубину оны разгрузки пласта (4,р) без учета минимального размера предохранительной зоны неснижаемого безопасного опережения пласта (IH.o). по фактору возможности развязывания выброса, т.е. цик з.p. - 1н.О. (4) Причем, (1цнк.) должно быть меньше глубины нахождения забоя наклонных скважин (IH,|,) Согласно опыта ведения горных работ, глубина неснижаемого безопасного опережения (4,о) обычно равна 0,75 — 1,5 м, а для шахт отрабатывающих выбросоопасные угольные пласты в Центральном районе

Донбасса обычно принимают 1н,о 1 м. Глубину зоны разгрузки пласта (I>,p.) 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 кажверх 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, ряд разьяснений по более эффективному выполнению способа и разъяснить их фиэический смысл.

Скважины вугольном 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 "опас1793063

10

20 ной

35

50

7 ных" (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 призабойная часть пласта (эта часть пласта) условно разбита на следующие зоны. На поверхности забоя находится зона отжима, затем с удалением вглубь массива расположена эона 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) (1доо.д,) плюс величина дополнительной зоны разгрузки, образовавшейся в призабойной части угольного массива от виброобработки пласта от воздействия на уголь посредством наклонных скважин (1" " p,), то есть суммарная величина тогда будет определяться зависимостью

1Ь < 1до +1н кв (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.3 — 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 кутковой 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, образуя с ней парные скважины; 15, 16— дополнительные наклонные парные скважины; 17 — рассчетная проекция наклонных скважин, буримых в следующем цикле; 18— опережающее крепление, устанавливаемое

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

Содержащаяся в указанном способе совокупность признаков авторами в исследованной технической и патентной не обнаружена. Следовательно, предложенная совокупность признаков обладает новизВполне очевидно, что после воздействия

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

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

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

Предлагаемый способ заключается в следующем. Пример конкретного выполнения.

В случае, когда выработка проводится по особовыбросоопасному угольному пласту тогда определяют расположение приза1793063

10 рд р А

1 0

К с ны

Сл т и у

P га но а ги оп зо

Отсюда следует, что < а- 20,3

Определим по формуле ваю (Q про пен

Скв взо тН.О (mсква па вода

В пр за с напр или и стано на эт состо шел в ствля

МЭССИ вибро ной с оинои части пласта глубину зоны перемя- полнительный отсос газа из угля, В двух ого угля и зоны ориентированных трещин, наклонных скважинах, расположенных в также по текущему прогнозу определяют верхнем кутке угольного забоя выработки, аксимум опорного давления. Определяют со стороны нависающего угольного массиоформуле из прототипа изобретения рас- 5 ва, в них устанавливают несущие элементы тояние h от пласта о стья ! яют по д у тьяскважин. Опре- например, в скважины вводят дере формуле(2) или экспериментально горбыли или металлические трубы, которые тья . -, вянные иус эффективного влияния вибросква- в этом цикле используются в качестве перены. В качестве источника вибрации при- дового крепления. м пневмовибратор типа ВПГильчевского 10 Перед установкой нес их о емзаво а иамет д установко несущих элементов в

Г иа р д д метром 75 мм, с частотой наклонные скважины послед и б ц, мплитудой 3 МПЭ. Характеристи- ют полностью, пересекая гольный и мет дние до уривагольного массива Си а, Е, м " и . Так, при С-0.5: а-0,01. Е-80МП и а,, v, 1у изве- частично забуриваясь во вмещающие поро0,5; -5 ж/м, R3 б

-80 Mila„ды. В случае повышенной опасности высыД . ф удет состав- 15 пения угольного массива из зоны верхнего ьоколо0,5м,п ит=01 4 р =... в = 100 Гц кутка в нем образуют "парные" скважины с

Н - 30 Mfla, Мощность пласта m - 1 м. введением в них несущих элементов, путем

Выполняем следующие операции. Оп- оборудования таких парных групп скважин еляем по динамике начальной скорости в верхнем кутке осуществляют вдвое чаще овыделения в призабойной части уголь- 20 по длине цикла. о массива основные параметры способа Затем по уголь о л н му пласту урят две б м; = м,. оэффициент изменения группы скважин: первая и вторая группы сометрии пласта К = 0,9, По формуле (1) скважины с устьями (этих скважин) рас оединяющеи устья д ен угол наклонных скважин и гори- лагающимися по линии с е

25 ближайших двух наклонных скважин, забугп — R. ренных ранее во вмещающих пласт поро— б,б > дак. Скважины по угольному пласту бурят

Ь вЂ” а 3— — а 3 — 1,б минимально возможным диаметром (например,/42 мм) на глубину, не превышающую

30 глубину зоны опорного давления с прибавлением величины зоны разгрузки, образуемой от действия на массив наклонными

h 1,5т (20 О)=

g (A,3 ) = 0,55 м вибРоскважинами. После чего осУществлЯют расширение этих скважин в угольном

Скважины из забоя выработки забури- 35 пласте до диаметра виброисточника (в нас расстояния h = 0,55 м от пласта под шем слУчаеф 75 мм). ПРичем РасшиРение

20О к нему с таким расчетом, чтобы скважин осУЩествлЯют До месте Установки кции этих скважин на пласт были пер виброисточника, т.е, оставляя в торце скважиикулярны к линии забоя пласта, ны пеРедовой забой Уменьшенного диаметРа жины диаметром 75 мм забуривают 40 глУбиной не меньшей зоны безопасного о еу риентированных трещин (на глубину режения 1.О который существенно усиливаЬ =3 M) и на глубину мощности пласта Ет Аегазирую ций эффект в массиве в

Кэф) = 0,5 м. Устанавливают в забой РезУльтате его вибРообРаботки. ВибРообРаВП ины виброисточники, например, ти- ботку производят на всем протяжении обраИльчевского рудоремонтного за- 45 батываемого участка угольного пласта, (r. Стаханов) и частотой воздействия начиная с центральных зон, в каждой втоц и осуществляют обработку массива. Рой скважине (через одну) по длине забоя. цессевиброобработкиведутконтроль Виброобработку в пласте осуществляют в стоянием выбросоопасного массива, . этой (пеРвой) гРУппе скважин в течении 1 мер, сейсмоакустическим методом 50 часа. Если после виброобработки призабойдинамике газовыделения, Если пласт наЯ часть пласта не пеРешла в невыбРосоовится невыбросоопасным, то работы пасное состоЯние, то осУществлЯют м заканчиваются. Если же пласт из ДополнительнУювибРообРаботкУ пласта пония особовыбросоопасного переме- средством виброисточников, установленсостояние выбросоопасного, осуще- 55 ных во второй группе скважин. т сооружение скважин в угольном После вибровоздействия на массив пое и их виброобработку, а наклонные . СреДством скважин, пРобУРенных в Уголькважины подключают к дегазацион- ном массиве, выемку угля осуществляют ти и с их помощью осуществляют до- после выполнения процесса виброобработки массива на безопасную глуби нч, которую

1793063

I>.ð, = 3,5 м; 1н.о. = 1 м.

1цик + 3,5 - 1 - 2,5, h=atg а, устанавливают по формуле (4), Для определяемого Iэ,р. пласта по динамике начальной скорости газовыделения

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;

Формула изобретения

1. Способ вибрациойно-скважинного воздействия на горный массив для снижения выбросоопасности, включающий бурение скважин во вмещающих породах кровли и почвы пласта,.установку в них источников вибровоздействия и виброобработку массива; буренйе скважин по угольному пласту после перехода обработанной зонь1 из особовыбросоопасного состояния в выбросоопасное; установку в них источников вибровоэдействия и виброобработку пласта, контроль эффективности виброобработки и непосредственно процессов проведения выработки,отл ич а ю щи йс я тем,что, с целью повышения эффективности и безопасности работ flo снижению выброСоопасности путем увеличения сьема газа и разгрузки пласта от напряжений без внедрения в особоопасную зону призабоной части крутого угольного пласта, склонного к обрушаемости, скважины во вмещающих породах бурят с наклоном в

-сторону пласта йвнедрением их в уголь приэабойной части пласта в зоне ориентированных трещин, при этом внедряют наклонные скважины в угольный массив на глубину не более эффективного радиуса влияния вибровоздействия скважин по мощности пласта, а оптимальный угол наклона скважин к плоскости плаСта определяют по зависимости где К вЂ” коэффициент гипосметрии пласта;

m — мощность пласта; снижением трудоемкости и повышением безопасности проведения мероприятия.

Кроме того, при использовании пред5 лагаемого способа, время виброобработки шахт пласта значительно сокращается; прежде всего, за счет уменьшения количества скважин и возможности одновременного бурения скважин и виброобработки

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

15 всех выбросоопасных и особенно на крутых особовыбросоопасных шахтопластах, склонных к обрушаемости при ведении горных работ..

Ray — радиус эффективного влияния вибровоздействия скважины;, Ь вЂ” глубина зоны ориентированных трещин; а — глубина зоны перемятого угла, причем расстояние от устья наклонной скважины до пласта определяют по выражению где а — глубина зоны перемятого угла; а- угол наклона скважин, осуществляют из указанных скважин виброобработку приэабойной эоны пласта до перехода этой зоны в обычное выбросоопасное состояние, после чего освобождают скважины от виброисточников и устанавливают в них несущие элементы в качестве передового крепления, затем производят бурение скважин по углю в забое выработки и виброобработку угольного массива.до снижения выбросоопасности до безопасного уровня, 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины в угольном пласте бурят на глубину, равную сумме размеров эоны 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 возмо>кным диаметром и перед установкой в них 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

1793063

1793063

Составитель С.Минеев

Редактор С.Никольская Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор H.Ñëîáîäÿíèê

Заказ 486 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