Способ снижения газодинамической активности выбросоопасного пласта

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для гидрообработки массива горных пород, главным образом выбросоопасных угольных пластов с целью борьбы с газом, внезапными выбросами, горными ударами, стреляниями и пылью. Способ включает в себя бурение скважин, их герметизацию и нагнетание жидкости в пласт в регулируемом режиме. Перед нагнетанием жидкости в угольный пласт в качестве противовыбросного нагнетания осуществляют проверку гидросистемы. Нагнетание жидкости осуществляют в режиме гидрорыхления, гидроотжима или низконапорного увлажнения. Предварительно исследуют пласт угля по крепости и выделяют наиболее крепкие и наиболее мягкие пачки угля. Расстояние между скважинами устанавливают не больше двух радиусов эффективной пропитки жидкостью. Герметизирующую часть скважин оборудуют по наиболее крепким, а фильтрующую часть по наиболее мягкой пачке угольного пласта. Нагнетание производят в режиме гидрорыхления или гидроотжима, или низконапорного увлажнения. При этом предварительно проверяют пропускную способность образуемой скважинами гидросистемы под давлением, большим максимального расчетного в 1,2-1,5 раза. 4 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для гидрообработки массива горных пород, главным образом выбросоопасных угольных пластов с целью борьбы с газом, внезапными выбросами, горными ударами, стреляниями и пылью.

Известен также способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение в угольный пласт скважины, герметизацию ее устья, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости с помощью специальных средств подачи жидкости [1] Однако данный способ недостаточно эффективен.

Наиболее близким по технической сущности является способ, изложенный [2] Способ включает в себя выбор места и режима нагнетания жидкости, бурение в угольный пласт скважин, герметизацию устьев скважин, уточнение параметров и нагнетание жидкости в пласт в различных режимах [2] Однако применение этого способа не достаточно эффективно, поскольку данный способ не позволяет в зависимости от горно-технологических условий разрабатываемого пласта изменить режимы воздействия и противовыбросные мероприятия.

Целью изобретения является повышение эффективности выполнения противовыбросного мероприятия.

Цель достигается тем, что в известном способе первоначально уточняют длину нагнетательных скважин, место их бурения, характер герметизации скважины. Герметизирующую часть скважины оборудуют по наиболее крепкой пачке угля, а фильтрующую часть скважины оборудуют в наиболее мягкой пачке пласта. В зависимости от горно-технологических условий в забое применяют один из видов регулируемого нагнетания жидкости в пласт в режиме рыхления, отжима, низконапорного или регионального увлажнения.

При гидравлическом отжиме пластов тонких и средней мощности глубину герметизации шпуров принимают для очистных забоев по формуле: l_г (3,2±1)m≥2 м; (1) для подготовительных забоев: l_г (7,5±1)S/P≥2 м; (2) где S площадь угольного забоя, м²; P периметр угольного забоя, м; m мощность пласта, м.

Длина шпура l принимается на величину l_a, равную обычно 0,3 м, превышающую глубину герметизации пласта l_г. Технологическая схема гидроотжима приведена на фиг.1. Неснижаемое опережение отжатой зоны l_н.о. принимается, как правило, не менее 0,7 м для очистных забоев и не менее 1 м для подготовительных забоев.

Давление нагнетаемой жидкости принимают равным: P_max=(0,8÷2)γH+P_c (3)
где P_c потери напора в гидросистеме, МПа.

Cкорость нагнетания принимают не менее 15 л/мин.

При нагнетании жидкости в выбросоопасный пласт в режиме рыхления глубину нагнетательных скважин принимают 6-11 м, а глубину их герметизации принимают 4-8 м. Объем жидкости, подаваемой в одну скважину, составляет:
Q=2R_эфqmγ_уг(l_г+l_н.о)/1000, (4)
где g удельный (расчетный) расход жидкости, м³/т;
m мощность пласта, м;
γ_уг удельный вес угля, кг/м³;
l_г глубина герметизации шпура, м;
l_н.о величина неснижаемого опережения, м.

Причем эффективный радиус нагнетания жидкости равен
R_эф ≅0,8 l_г (5)
Число скважин и схемы их расположения принимают в зависимости от ширины полосы угольного массива, подлежащей гидрорыхлению. Ширина обрабатываемой полосы С в подготовительных выработках составляет:
C=B+2b, (6)
где B ширина угольного забоя, м;
b ширина гидрообрабатываемой полосы за контуром выработки, принимаемая, как правило, не менее 4 м.

При низконапорном увлажнении диаметр нагнетательных скважин принимают равным 45-100 мм, глубину герметизации принимают равной не менее 5 м при диаметре скважины 45-60 мм и не менее 10 м при большем диаметре, а объем закачиваемой жидкости определяют
Q=2R_эфlmγg, (7)
где l длина скважин, м;
m мощность угольного пласта, м;
g норма подачи жидкости на 1 т угля.

При региональном увлажнении угольных пластов нагнетание жидкости производят через длинные скважины диаметром 80-110 мм. Длинные скважины бурят с опережением L_увл, при этом ширина зоны опережения увлажненного участка пласта определяется:
L_увл l_н.з + V_заб, (8)
где l_н.з неснижаемый запас увлажнения, необходимый для выдержки увлажненного участка в течение одного месяца;
V_заб скорость продвигания забоя, м/мес.

Для шахт Центрального района Донбасса безопасный уровень влажности уточняется по формулам:
для углей марок К, Ж
, (9)
для углей марки Т
, (10)
где х природная газоносность угольного пласта, м³/т г.м.

E модуль упругости ближайших к пласту слоев вмещающих пород, МПа.

Предполагаемый способ имеет следующие основные отличительные признаки и операции. Это выбор определенного режима нагнетания жидкости в пласт, расход, давление, размеры скважин и другие операции.

Несмотря на известность в отдельности некоторых из приведенных в изобретении операций, заявляемая совокупность признаков в исследованной технической и патентной литературе не обнаружена. Следовательно, предлагаемая совокупность признаков обладает "новизной".

Вполне очевидно, что работы по регулируемому нагнетанию жидкости в пласт с применением совокупности признаков, изложенных в данном изобретении, становятся менее трудоемкими, более безопасными и значительно эффективнее, а также повышают состояние атмосферы в забое, следовательно, предложенная совокупность признаков направлена и обеспечивает достижение цели изобретения, то есть она существенна. Относительно признаков, приведенных в последующих пунктах формулы изобретения, то они, что вполне очевидно из формулы, направлены на уточнение параметров способа, повышение степени надежности и эффективности выполнения способа и могут быть рассмотрены в совокупности с признаками основного пункта формулы изобретения. Кроме того, все признаки рассматриваемого изобретения подчинены одной и единственной цели наиболее эффективно и в то же время безопасно выполнить мероприятие борьбы с выбросами, то есть четко прослеживается единство изобретения. Таким образом, данное техническое решение преследует единство цели и обладает "существенными отличиями" по сравнению с прототипом и другими способами, известными в рассматриваемой и других смежных областях техники. Других известных решений со сходными признаками не выявлено. Исходя из вышеизложенного, можно считать, что решение соответствует всем критериям, предъявляемым к изобретению.

На фиг. 1, 2 представлены технологические схемы регулируемого гидроотжима: фиг. 1 при мощности пачки прочного угля не менее 1 м; фиг.2 в любых условиях; на фиг. 3, 4 схемы расположения скважин при гидрорыхлении в очистном забое крутого пласта: фиг.3 при одной скважине в уступе; фиг.4 - при двух скважинах в уступе; на фиг.5, 6 схемы расположения скважин при гидрорыхлении в очистном забое пологого пласта: фиг.5 в прямолинейной части забоя; фиг.6 в комбайновой нише; на фиг.7, 8 схемы расположения скважин при гидрорыхлении в забое подготовительной выработки: фиг.7 крутого пласта; фиг. 8 пологого пласта.

Способ осуществляют следующим образом.

К параметрам гидроотжима относят: количество шпуров для проведения гидроотжима, глубина этих шпуров l, глубина герметизации l_г, скорость нагнетания V, неснижаемое опережение l_н.о.

Гидроотжим выполняется по технологической схеме (фиг.1, 2), где приведены схемы для условий: а при наличии в сечении выработки пачки прочного угля мощностью не менее 1 м; б в других и любых условиях. Количество шпуров и их расположение принимаются в соответствии с выбранной технологией. На схеме приведены следующие обозначения: 1, 2 положения забоя выработки при очередном гидроотжиме; 3 шпуры гидроотжима; 4 загерметизированный участок шпура; 5 шпуры для контрольных реперов; 6, 7 соответственно зародившаяся щель, трещина гидроразрыва.

Насосные установки, предназначенные для гидроотжима, устанавливаются на свежей струе воздуха на расстоянии кровли не менее 120 м от забоя подготовительной выработки и не менее 30 м от забоя очистной выработки. Допускаются установки насоса на вентиляционном штреке на исходящей струе при производстве гидроотжима в очистном забое при наличии средств обеспечения безопасности рабочих.

Шпуры для гидроотжима должны были бурить в наиболее мощной пачке пласта, в которой достигается их качественная герметизация. В подготовительных выработках для обеспечения качественной герметизации шпур бурят на пласт из породного забоя.

В очистных забоях шпуры для нагнетания воды в пласт бурят перпендикулярно к забою, в кутках под углом, обеспечивающим выход фильтрующей части шпура непосредственно за его контур. Пункт замера выдвигания пласта располагают на расстоянии 0,5 м от кутка, посредине между шпурами.

В подготовительных выработках гидроотжим производится не менее чем через два шпура, устья шпуров должны находиться на расстоянии 1 м от боков выработки в фильтрующие части непосредственно за ее контуром. При ширине угольного забоя 2,5 м и менее гидроотжим производится через один шпур, пробуренный в средней части забоя. Пункты замера выдвигания пласта в подготовительных выработках должны быть расположены в угольном забое по обе стороны от нагнетательного шпура на расстоянии 0,5 м от боков выработки и посредине между шпурами.

Для герметизации шпуров можно использовать рукавные гидрозатворы, рассчитанные на давление 20-40 МПа. Длина уплотнительного участка гидрозатвора должна быть не менее 1,25 м. Перед началом нагнетания жидкости в пласт производят опробование высоконапорного трубопровода на герметичность, а также определяют полные потери напора в гидросистеме Р_с. Гидроотжим считается эффективным, если выдвижение забоя составит в очистных выработках не менее 0,01 l_г, в подготовительных выработках не менее 2 см.

При гидрорыхлении длина скважин 6-11 м, диаметр скважин не более 80 мм. Скважины необходимо герметизировать на глубину l_г=4-8 м. Величину неснижаемого опережения принимают равной 2 м.

Эффективный радиус нагнетания жидкости составляет R_эф≅0,8 l_г. Выемку угля после гидрорыхления производят на глубину не более, чем на глубину l_г. Давление при нагнетании жидкости P_н=(0,75÷2)γH. Темп нагнетания составляет не менее 3 л/мин.

Для герметизации скважин применяют рукавные гидрозатворы длиной не менее 2,5 м с использованием удлинителей, позволяющих устанавливать гидрозатворы на требуемой глубине. В случае, если гидрозатвор длиной 2,5 м не обеспечивает надежную герметизацию скважин, применяют гидрозатворы большей длины. Для улучшения качества герметизации в очистных забоях крутых пластов, сложенных мягкими и сыпучими углями, бурение и герметизацию скважин осуществляют заранее при наличии (помимо неснижаемого опережения) обработанной ранее зоны, соответствующей суточному подвиганию забоя. Нагнетание воды производят через одну или несколько скважин отдельными насосными установками, расположенными на расстоянии не ближе 30 м от нагнетаемой скважины. Перед началом нагнетания производят проверку высоконапорного водопровода на герметичность. На высоконапорном трубопроводе не более 15 м от гидрозатвора и у насосной установки должен быть установлен разгрузочный вентиль-тройник, регулированием которого обеспечивается плановое повышение или сброс давления, и манометры.

Нагнетание воды в пласт необходимо начинать плавным и в течение 3-5 мин с повышением давления до максимального его значения.

При низконапорном увлажнении пласта диаметр скважин составляет 60 мм. Длина скважин не ограничивается. Глубина герметизации должна составлять не менее 5 м.

Неснижаемое опережение увлажненной зоной забоя выработки должно составлять не менее 5 м. Расстояние от стенок выработки до границы увлажненной зоны должны составлять не менее 5 м. Давление нагнетания воды не должно превышать 0,75γH.

Скважины для увлажнения бурят по крепкой пачке пласта. Герметизацию скважин осуществляют рукавными гидрозатворами или цементно-песчаным раствором. При увлажнении пласта через барьерные скважины нагнетание воды можно производить через обе скважины одновременно. Для повышения качества увлажнения нагнетания воды необходимо производить с перерывами на 1-2 ч в смену. Увлажнение считается законченным после подачи в скважины жидкости до достижения влажности угля не менее 6%
Применение этого способа позволит повысить эффективность выполнения противовыбросного мероприятия, оперативность и безопасность работ. 2

Формула изобретения

1. Способ снижения газодинамической активности выбросоопасного пласта, включающий выбор места и режима нагнетания жидкости, бурение в угольный пласт нагнетательных скважин, оборудование их герметизирующей и фильтрационной частями и герметизацию их устьев, регулируемое нагнетание через скважины в пласт жидкости в различных режимах и контроль за состоянием массива, отличающийся тем, что предварительно исследуют пласт угля по крепости и выделяют наиболее крепкие и наиболее мягкие пачки угля, расстояние между скважинами устанавливают не больше двух радиусов эффективной пропитки жидкостью, герметизирующую часть скважин оборудуют по наиболее крепким пачкам, а фильтрующую часть в наиболее мягкой пачке угольного пласта, регулируемое нагнетание проводят в режиме гидрорыхления или гидроотжима, или низконапорного увлажнения, при этом предварительно проверяют пропускную способность образуемой скважинами гидросистемы под давлением, превышающим максимальное расчетное давление жидкости в пласт в 1,2 1,5 раза, а в случае прорыва подаваемой жидкости из нагнетательной скважины или на забой проводят повторное нагнетание жидкости через скважину, которая пробурена на расстоянии более 2 м от первой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нагнетании жидкости в пласт в режиме гидроотжима глубину герметизации нагнетательных скважин определяют по формулам:
для очистных забоев
l_г=(3,2±1)m≥2 м;
для подготовительных забоев
l_г=(7,5±1)·S/P≥2 м,
где S площадь угольного забоя, м²;
P периметр угольного забоя, м;
m мощность пласта, м,
давление нагнетаемой в пласт жидкости принимают
P_max = (0,8÷2)γH + P_c,
где P_c- потери напора в гидросистеме, МПа,
а скорость нагнетания жидкости принимают равной не менее 15 л/мин, при этом в очистных забоях нагнетательные скважины бурят перпендикулярно к забою, в кутках под углом, обеспечивающим выход фильтрующей части скважины непосредственно за его контур, а в подготовительных забоях гидроотжим производят не менее чем через две скважины, устья которых находятся на расстоянии метра от боксов выработки, а фильтрующие части скважин непосредственно за ее контуром, причем гидроотжим считается эффективным при отжиме кромки забоя в очистных забоях не менее 0,01l_г, в подготовительных забоях не менее 0,02 l_г, а осмотр забоя после гидроотжима осуществляют не менее чем за 20 мин после отключения насоса и при концентрации метана в атмосфере менее 1%
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нагнетании жидкости в пласт в режиме рыхления длина нагнетательных скважин составляет 6-11 м, глубина герметизации 4-8 м, а величина неснижаемого опережения принимается равной длине фильтрующей части скважины и составляет 2-3 м, причем количество жидкости, подаваемой в одну скважину, составляет
Q = 2R_эф·g·mγ_уг(l_г+ l_н.о.)/1000,
где g удельный (расчетный) расход жидкости, л/т;
m мощность угольного пласта, м;
γ_уг удельный вес угля, кг/м³;
L_г глубина герметизации шпура, м;
l_н.о. величина неснижаемого опережения 1 м,
а эффективный радиус нагнетания равен R_эф≅0,8l_г, кроме того, ширину гидрообрабатываемой полосы в подготовительных выработках принимают
C В + 2b,
где B ширина выработки, м;
b ширина обрабатываемой полосы за контуром выработки, м,
а в случае невозможности бурения и герметизации нагнетательных скважин на длины заданной глубины, длину скважин укорачивают, принимая равной 4-6 м при глубине ее герметизации 3-4 м, при этом гидрорыхление считают эффективным при подаче расчетного количества жидкости в скважину, появлении жидкости на плоскости забоя и снижении давления в высоконапорном трубопроводе не менее чем на 30%
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при низконапорном увлажнении диаметр нагнетательных скважин принимают равным 45-100 мм, глубину герметизации принимают равной не менее 5 м при диаметре скважины 45-60 мм и не менее 10 м при большем диаметре, а объем жидкости, закачиваемый в скважину, определяют с использованием зависимости
Q = 2R_эф·l·mγg,
где l длина скважины, м;
m мощность угольного пласта, м;
g норма подачи жидкости на 1 т угля,
при этом давление нагнетания жидкости в пласт принимают равным не более 0,75γН, причем расчетную влажность угля для эффективного нагнетания жидкости в пласт принимают не менее 6%
5. Способ по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что при региональном увлажнении угольных пластов нагнетание жидкости производят через длинные скважины диаметром 80-110 мм, пробуренные впереди очистных или подготовительных забоев с опережением, при этом ширину зоны опережения увлажненного участка определяют по формуле
L_увл=l_н.з.+V_заб,
где lн.з. неснижаемый запас увлажнения, необходимый для выдержки увлажненного участка в течении одного месяца;
Vзаб скорость подвигания забоя, м/мес, а увлажнение выбросоопасных пластов осуществляют до содержания физически связанной жидкости в угле 2-3% причем глубину герметизации скважин принимают равной половине расстояния между нагнетательными скважинами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8