Способ предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проведении подготовительных выработок для предотвращения газодинамических явлений. Задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности виброимпульсной обработки угольного пласта. Для этого путем анализа осциллограммы собственных колебаний массива горных пород в призабойной части угольного пласта, вызванных ударом, определяют их амплитудный спектр. Выделяют на нем два значения резонансных частот: первое из них равно минимальному значению, на котором имел место первый резонанс, второе - частоте, соответствующей наибольшему значению амплитуды. На массив воздействуют импульсами, частота следования которых равна или кратна минимальному значению резонансной частоты. Каждый одиночный импульс характеризуется тем, что частота его спектрального максимума равна резонансной частоте, соответствующей наибольшему значению амплитуды. В качестве источников импульсов применяют невзрывные источники для акваторий пневматического или пневмогидравлического типа. Источник размещается в скважине, пробуренной в почве выработки и заполненной водой. Величина спектрального максимума одиночного импульса устанавливается путем изменения глубины погружения источника. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ведении проходческих работ на выбросоопасных угольных пластах.

При разработке выбросоопасных пластов в угольных шахтах для снижения их газодинамической активности и предотвращения газодинамических явлений (ГДЯ) применяют виброимпульсное воздействие на призабойную часть массива.

Известен способ проведения подготовительных выработок по выбросоопасным пластам, включающий определение параметров акустической эмиссии пласта и текущий контроль выбросоопасности по частоте спектрального максимума акустической эмиссии пласта, когда с целью предотвращения ГДЯ на пласт непрерывно производят воздействие искусственными колебаниями на частоте спектрального максимума акустической эмиссии пласта (а.с. СССР N 1615387, E 21 F 5/00, 1989).

Недостатком данного способа является то, что воздействию подвергаются в основном нарушенные пропластки угля и развивается сеть уже существующих трещин, а образование новых трещин в зоне крепких углей не происходит и энергия источника импульсов используется неэффективно.

Кроме того, текущий контроль выбросоопасности по акустической эмиссии пласта предполагает периодические остановки горно-проходческих машин и оборудования для ее регистрации.

Наиболее близким аналогом данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ предотвращения выбросов угля, пород и газа, при котором из выработки определяют резонансные частоты собственных колебаний массива горных пород, после чего воздействуют на массив импульсами, частота следования которых кратна или равна одной из резонансных частот. При этом для повышения эффективности воздействие производится с частотой, равной минимальной резонансной частоте (а.с. СССР N 1553719, E 21 F 5/00, 1988).

Данный способ в полной мере использует резонансные свойства массива, но не учитывает форму одиночного импульса источника и его спектральную характеристику, что способствует снижению эффективности импульсного воздействия.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности и безопасности виброимпульсной обработки угольного пласта для предотвращения ГДЯ за счет использования резонансных свойств угольно-породного массива, формы и спектрального состава одиночных импульсов источника, размещения источника импульсов, при котором максимально обеспечивается безопасность проходческих работ, а также применения текущего контроля выбросоопасности, при котором исключается остановка работы источника.

Эта цель достигается тем, что при воздействии на массив горных пород импульсами, частота следования которых равна или кратна минимальному значению резонансной частоты собственных колебаний массива, применяют источник, у которого частоту спектрального максимума одиночного импульса можно установить равной резонансной частоте собственных колебаний массива, соответствующей наибольшему значению амплитуды.

Регулирование частоты спектрального максимума одиночного импульса можно получить при использовании в качестве источника скважинных погружных пневмогидравлических источников импульсов давления (ПГИ) с различным объемом рабочей камеры, изменяя глубину их погружения в скважине, заполненной жидкостью.

Для повышения безопасности проходческих работ скважину бурят не по угольному пласту, а в почву выработки, Для контроля выбросоопасности применяется текущий прогноз по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) сигнала от шума, генерированного в пласт при работе машин, в данном случае источника импульсов.

При совпадении частоты спектрального максимума одиночного импульса источника с резонансной частотой, соответствующей наибольшему значению амплитуды, создаются наилучшие условия для передачи волновой энергии импульса источника в прилегающий массив. Знакопеременные деформации способствуют разупрочнению массива и раскрытию трещин. Происходит смещение зоны концентрации напряжений вглубь угольного пласта, увеличивается проницаемость угля. Это содействует более глубокой дегазации призабойной части угольного пласта и снижению его газодинамической активности.

При контроле выбросоопасности по АЧХ сигнала от шума, генерированного в угольный пласт источником импульсов, виброимпульсную обработку можно вести непрерывно, без остановки источника до получения прогноза "неопасно".

Осуществление способа иллюстрируется фиг. 1-5, на которых изображено: фиг. 1, 2 - схема бурения скважины в выработке и размещения в ней источника импульсов; фиг. 3 - амплитудный спектр искусственного сигнала, возбуждаемого в массиве ударным способом; фиг. 4 - амплитудный спектр одиночного импульса источника; фиг. 5 - акустический сигнал одиночного импульса источника.

Способ осуществляется следующим образом.

В подготовительной выработке при ударе молотка по кровле записывают осциллограмму собственных колебаний массива. Определяют амплитудный спектр этих колебаний (фиг 3). Выделяют на нем два значения резонансных частот: первое из них f_{м min} равно минимальному значению частоты, на которой имел место первый резонанс; второе f*_м - равно частоте, на которой отмечено наибольшее значение амплитуды колебаний.

В качестве источников импульсов применяют невзрывные источники импульсов давления, используемые для сейсморазведочных работ на акваториях морей и океанов (см. Невзрывные источники для акваторий, с. 176 - 210, в кн. Невзрывные источники сейсмических колебаний: Справочник/Под ред. М.Б. Шнеерсона. - М.: Недра, 1992). Для шахт, разрабатывающих пласты, опасные по ГДЯ, предпочтительно использовать пневматические (ПИ) и пневмогидравлические источники (ПГИ).

Характерной особенностью этого вида источников является чередование в акустическом сигнале их одиночного импульса (фиг. 5) избыточного давления и разрежения, что способствует более глубокой обработке массива.

Выбирают источник с диапазоном частот одиночного импульса (фиг. 4), содержащим частоту f^*_м. Из формулы (см. с. 179 в цитируемой выше книге), приравняв f_иmax = f^*_м, определяют глубину погружения источника. В этой формуле: T₁ - период первой пульсации, с; р₀, р_к - начальное и конечное давление, жидкости в рабочей камере источника, МПа;
V_о - объем рабочей камеры, дм³;
H^* - глубина погружения источника в скважину, м;
B - коэффициент, зависящий от параметров конструкции источника и изменяющийся от 0,3 до 0,35;
f_{и max} - частота спектрального максимума одиночного импульса источника, Гц.

В почву выработки бурят скважину (фиг. 1) на глубину, превышающую вычисленную глубину H^* погружения источника 2 (фиг. 2). Направление скважины, - по возможности близкое к вертикальному. Минимальный диаметр скважины по крайней мере на 20-30 мм должен превышать диаметр корпуса источника. Чем больше диаметр скважины, тем эффективнее работа источника. Скважину на всю глубину заливают водой и опускают в нее источник 2 на глубину H^*.

Источник подключают к насосу 3 высокого давления и включают в работу, устанавливая частоту следования импульсов равной или кратной минимальному значению резонансной частоты f_{м min}.

При несовпадении величин частот f_{и max} и f^*_м изменяют глубину погружения источника H^*. С увеличением H^* значение f_{и max}, как видно из приведенной выше формулы, увеличивается.

Пример. В подготовительной выработке при простукивании пород кровли и последующей спектральной обработке осциллограммы собственных колебаний массива получено: f_{м min} = 24 Гц, f^*_м = 32 Гц. По вышеприведенному справочнику (стр. 203, табл. II) выбираем источник ПИ 1Е с частотным диапазоном единичного импульса 20 - 80 Гц. Диаметр корпуса источника равен 60 мм. По приведенной выше формуле для f^*_м = 32 Гц, B = 0,3; р₀ = 10 МПа, р_к = 0,1 МПа, V_о = 0,2 дм³ вычисляют H^* = 10 м. Буровыми станками типа БЖ 45/100Э или НКР-100М в почву выработки на глубину 12 м бурят скважину диаметром 90 мм и заполняют ее водой. В скважину опускают источник на глубину 10 м и подключают его к двум параллельно соединенным насосам типа УН-35. При таком соединении максимальная частота следования импульсов составит 10 Гц. Дроссельным краном устанавливают частоту работы, равную f_{м min}, т.е. 8 Гц. Для приведения массива в невыбросоопасное состояние требуется, как показали результаты испытаний, несколько сотен импульсов. Контроль эффективности способа осуществляется по "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (М.: ИГД им. Д. А. Скочинского, 1994 г.) с. 41 - 43.

Предлагаемое изобретение позволяет
- повысить эффективность виброимпульсной обработки массива и значительно снизить ее энергоемкость за счет выбора оптимальной формы импульсов источника и их спектральных характеристик;
- повысить безопасность проходческих работ.

Способ может применяться в сочетании с известными способами предотвращения ГДЯ для существенной интенсификации процессов дегазации, увлажнения, гидрорыхления, гидроотжима.

Формула изобретения

1. Способ предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок, включающий определение резонансных частот собственных колебаний массива горных пород, воздействие на массив из выработки источником импульсов, частота следования которых равна или кратна минимальному значению резонансной частоты собственных колебаний массива, и текущий контроль выбросоопасности, отличающийся тем, что при воздействии на массив частоту спектрального максимума одиночного импульса источника устанавливают равной резонансной частоте собственных колебаний массива, соответствующей наибольшему значению амплитуды, в процессе воздействия непрерывно регистрируют и анализируют акустический сигнал от работы источника и по изменению амплитудно-частотных характеристик сигнала дают прогноз выбросоопасности, воздействие на массив прекращают при получении прогноза "неопасно".

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что акустический сигнал одиночного импульса источника содержит временные интервалы избыточного давления и разрежения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что источник импульсов размещают в заполненной жидкостью нисходящей скважине, пробуренной в почву выработки.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что регулирование частоты спектрального максимума одиночного импульса источника в процессе воздействия производят за счет изменения глубины его погружения в скважину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5