Способ разгрузки горного массива от напряжений

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК

<я)з Е 21 С 39/00, Е 21 D 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ "- Г- (21) 4741082/03 (22) 07.08.89 (46) 23,03.93. Бюл, N 11 (75) В,Н. Бакулин и А.В. Бакулин (73) В.Н, Бакулин (56) Лукаш А.Е. и Егоров С.И. Управление состоянием массива горных пород на больших площадях, Сб, Управление состоянием массива горных пород на шахтах. M„1984, с. 7 — 10.

Авторское свидетельство СССР

N 1456563, кол. Е 21 С 39/00, 1988. (54) СПОСОБ РАЗГРУЗКИ ГОРНОГО МАССИВА ОТ НАПРЯЖЕНИЙ (57) 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 миниИзобретение 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 — компрессор высокого давления, 10 электронный пульт управления для синхронизации работы группы источников колебаний.

„„5U Ä 1804556 А3 мального 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 воз. никновения 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.

° ей

Способ осуществляют следующим обра- 00 зом. С)

С помощью датчиков давления горных фь пород, устанавливаемых в контрольную (Я скважину, определяют поле напряжений и (у) главные векторы 01 и 0 2 в породном мас- О,, сиве, где следует ослабить напряжения, В выработке, пройденной на том же го-. ризонте, на удалении 3-5 длин волн основной частоты, генерируемой в массив 1, бурят 6д 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 выработкг 2, то есть источники устанавливают в плоскости, про1804556 мосфер). 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 P-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 обводненности горного массива и его напряженнодеформированного состояния.

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

55 ходящей через линию действия минимального главного напряжения.

После этого бурят скважины 4, предназначенные. для гидроразрыва, обустраивают их устьевой арматурой и подключают к гид- 5 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 гидроразрыв одновременно в нескольких скважинах в горном массиве. Это необходимо для развития в массиве сети фильтрационных трещин, 15

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 20 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 вы- 25 сокого 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 35 диапазона 60 — 150 Гц примерно 5 — 7 м (атдо 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 разупрочняющего 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 сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии; сейсмическими методами исследований.

Воздействуя на массив вибрационными нагрузками измеряют его напряженно-дефомированное состояние и при достижении в нем напряжений равных 0,5 от разрушающих нагнетают в массив разупрочняющие растворы. Для повышения устойчивости горных выработок после разупрочнения массива в кровлю нагнетают скрепляющие растворы в совокупности с анкерованием пород. Таким образом, массив после гидроразрыва и наведения в нем фильтрационных трещин подвергается дополнительно обработке всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок вызванных вибрационными колебаниями в диапазоне 60 — 150

Гц, что способствует повышению эффективности способа.

Сущность способа заключается в том, что осуществление гидроразрыва посредством нагнетания в скважины под давлением инертного газа с расклинивающими агентами более эффективно, чем гидроразрыв с 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 жидкостями, причем. этот эффект диффундирования газов через поры и трещины массива усиливается за счет воздействия вибрационными колебаниями в диапазоне

60-150 Гц, Молекулярное сито, которое 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

1804556

10

30

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

Вибровоздействия способствуют повышению проницаемости пород в массиве,то 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 волн, 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 мигрирующих флюидов и частичной дегазацией локального участка массива, подверженного вибровоэдействиям. Авторы назвали это явление УПРУГИМ МИГРАЦИОННЫМ ГЕОЭФФЕКТОМ. который имеет место в любых диапазонах частот — от герц до Мгц и способствует миграции флюидов в массиве горных пород при нагнетании в него разуп рочняющих (или уп рочня ющих) растворов при решении различных гео- и горнотехнологических задач, Скрепляющие растворы, поступаемые из скважины в приконтурные 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 20-407,, что проверено методом гидроразрыва до и после вибровоздействия, Преимущества способа состоят в следующем: создание сети фильтрационных трещин после гидроразрыва; создание оптимальных условий возбуждения в горном массиве сейсмических колебаний в выбранном диапазоне частот при неизмененных контактных условиях, свести к минимуму вероятность динамики горного давления и внезапных выбросов угля, породы и газа: привести массив в неудароопасное состояние; повысить проницаемость горных пород в массиве и увеличить гидрои 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 давления и внезапных выбросов угля, породы и газа по сравнению с известными способами не использующими методы выбора диапазона 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 растягивающихдеформаций вибраторами, размещенными в скважинах, пробуренных в направлении наименьшего ослабления массива, о.т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности способа, предварительно осуществляют разрыв массива нагнетанием инертного газа с расклинивающими агентами, а вибровоэдействие проводят с одновременным нагнетанием в скважины разупрочняющего раствора, при этом в качестве направления наименьшего ослабления массива принимают направление главного минимального напряжения.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, ч о число необходимых периодов вибровоздействия определяют из соотношения

0,9 у Н

А где yH — геостатическое давление пород, А — амплитуда упругой волны вибровоздействия.

3, Способ по и. 1, отличающийся тем, что в качестве расклинивающих агенств используют графит, сажу или кварц, измельченные до размеров 0,03 — 0,3 мм, 4. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют 2 -ные растворы гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом.

5. Способ по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения устойчивости выработки, после раэупрочнения массива в кровлю выработки нагнетают скрепляющие растворы;

6. Способ по пп. 1 — 5, отл и ч а ю щи йс я тем, что в процессе обработки массива контролируют его напряженное состояние с помощью геофизических методов.

1804556

Составитель В.Бакулин

Техред М.Моргентал Корректор А,Мотыль

Редактор

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

Заказ 1075 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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