Комбинированный способ разупрочнения угольного массива и устройство для его осуществления

Изобретение относится к горной промышленности и касается подготовки угольного массива к выемке. Техническим результатом является повышение эффективности дегазации угольного пласта. Способ включает бурение скважин в обрабатываемую зону угольного пласта, подачу в них диоксида углерода под давлением не ниже порогового, нагнетание воды под давлением ниже гидроразрыва пласта до полного водонасыщения обрабатываемой зоны. При этом подают сжатый воздух высокого давления для повышения давления в скважине выше гидроразрыва угольного пласта в обрабатываемой зоне, причем сжатый воздух высокого давления подают в импульсном режиме как раздельно, так и одновременно в любой комбинации и в определенном диапазоне давлений сжатого воздуха с заданной частотой в зависимости от физико-механических свойств и структуры угольного пласта. Также предложено устройство для осуществления способа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано для разупрочнения угольного массива и повышения эффективности дегазации угольного пласта.

Известен способ разупрочнения угольного пласта, позволяющий снизить прочностные свойства угля путем бурения скважин в угольном пласте, подачу в них диоксида углерода под давлением, равным или больше порогового, и выдерживание скважин при этом давлении до установления режима равновесия и диспергирование угля вокруг каждой скважины, а также для повышения эффективности разупрочнения угольного массива между скважинами для нагнетания диоксида углерода располагают дополнительные скважины с зарядами взрывчатых веществ ВВ или с газодинамическими патронами (ГП), которые после взрывания ВВ или срабатывания ГП в режиме полного комуфлета создают зоны взрывного трещинообразования. При этом взрывание скважин производят после окончания диспергирования вокруг соседних скважин между собой, а взрывание зарядов ВВ или циклов срабатывания ГП производят до соединения между собой зон взрывного трещинообразования вокруг соседних взрывных скважин [1].

Недостатками данного способа являются:

- обработка диоксидом углерода снижает прочность угля, но без его разрушения крупными трещинами, что является необходимым условием для эффективной дегазации;

- при использовании зарядов ВВ или ГП в два раза возрастает объем бурения, то есть резко возрастает себестоимость способа;

- использование зарядов ВВ или ГП позволяет проводить только одноразовое воздействие на угольный пласт, то есть исключает возможность многократного воздействия на обрабатываемый угольный массив;

- бурение шпуров длиной порядка 4 м для реализации данного способа позволяет только получить небольшую зону разупрочнения и не позволяет применять его для дегазации угольного массива.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип данному изобретению в части способа по технической сущности и достигаемому результату, является «Способ разупрочнения угольного пласта (варианты)» [2]. Этот способ включает бурение скважин по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением не ниже порогового. По одному из вариантов для реализации этого способа давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в скважины воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны. После чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта и продолжают нагнетание воды до тех пор, пока давление в скважине не станет ниже порогового. По другому варианту после полного водонасыщения обрабатываемой зоны и увеличения давления в скважинах до гидроразрыва пласта периодически прекращают подачу воды в скважины и нагнетают вновь до максимально достижимого давления гидроразрыва, пока оно не станет ниже порогового.

Недостатком данного способа является то, что эффективный радиус разупрочнения угольного пласта (по экспериментальным данным 2-3 м) ограничен радиусом воздействия диоксида углерода (особенно для крепких углей), так как при реализации этого способа не образуется сеть мелких и средних трещин и это резко снижает эффективность дегазации пласта. К недостаткам данного способа также можно отнести и то, что для реализации этого способа необходимо наличие специальных высоконапорных насосов.

Цель данного изобретения - разработка комбинированного способа разупрочнения угольного массива и устройств для его осуществления, применение которых повышает эффективность дегазации угольного пласта.

Поставленная цель в части способа достигается тем, что предлагается комбинированный способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважин по угольному пласту в обрабатываемую зону угольного массива, подачу в скважины под давлением не ниже порогового диоксида углерода, закачку в скважины под давлением воды, до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, отличающийся от прототипа тем, что после выполнения вышеперечисленных операций давление воды в скважине увеличивают до гидроразрыва пласта за счет подачи в нее в импульсном режиме воздуха высокого давления с помощью устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта.

Способ реализуется следующим образом (фиг.1а). Из горной выработки 1 в угольный пласт 2 бурят скважины 3 на расстоянии друг от друга 10÷15 м. Устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта 4 вводят в скважину 3 и подают вперед по скважине от устья 12 скважины 3 до конца зоны разгрузки горной выработки 11 на величину 5÷10 м, но не менее 5 м (минимальный радиус зоны разгрузки горной выработки), используя подающую штангу 5 бурового станка 6. Устройство 4 подсоединено к двум магистралям из армированных шлангов. Одна магистраль используется для нагнетания в скважину 3 через один из каналов в пневмопакере 7 устройства 4 под давлением диоксида углерода, а затем через эту же магистраль по этому же каналу под давлением воды, вторая воздушная магистраль, подсоединенная к источнику сжатого воздуха высокого давления, и используется для поступления сжатого воздуха в рабочую полость пневмопакера 7 и в многосекционный пневмоимпульсный патрон 8 устройства 4 (на фиг.1а и фиг.1б эти магистрали не показаны). По техническим соображениям длина устройства 4 не должна превышать 15 м. Скважину 3 герметизируют с помощью пневмопакера (герметизатора) 7 входящего в конструкцию устройства 4 (фиг.1а). Через пневмопакер (герметизатор) 7 устройство 4 производят подачу диоксида углерода в скважину под давлением не ниже порогового 2,8 МПа, при этом удельный расход сжиженного диоксида углерода составляет порядка 2 кг на м³ угольного массива. После этого в скважину также через пневмопакер (герметизатор) 7 устройства 4 подают под давлением воду до полного водонасыщения разупрочненного диоксидом углерода угольного массива в обрабатываемой зоне, при этом воду подают через пневмопакер (герметизатор) 7 устройства 4 под давлением 1÷3 МПа. Затем за счет импульсного воздействия сжатым воздухом высокого давления 20÷70 МПа с помощью многосекционного пневмоимпульсного патрона 8, входящего в конструкцию устройства 4, давление воды в скважине увеличивают до 7÷8 МПа и выше. Это приводит к лавинообразному раскрытию пор и трещин и в результате к гидроразрыву угольного пласта в обрабатываемой зоне 10 (фиг.1а). После обработки угольного пласта на первой скважине с использованием устройства 4 скважину 3 разгерметизируют (сбрасывают давление сжатого воздуха в пневмопакере 7), устройство 4 перемещают на следующую скважину 3 и повторяют вышеперечисленные операции на второй скважине (фиг.1б) и так далее.

При длине скважин более 20 м способ реализуется следующим образом (фиг.2а). Из горной выработки 1 в угольный пласт 2 бурят скважины 3 на расстоянии друг от друга 10÷15 м. В устье скважины 3 устанавливают модификацию базового устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта 4, имеющая в своей конструкции два пневмопакера (герметизатора) 7. Модификация базового устройства 4 подсоединена к двум магистралям из армированных шлангов. Одна магистраль используется для нагнетания в скважину 3 через один из каналов в хвостовом пневмопакере 7 устройства 4 под давлением диоксида углерода, а затем через эту же магистраль по этому же каналу под давлением воды, вторая воздушная магистраль, подсоединенная к источнику сжатого воздуха высокого давления, и используется для поступления сжатого воздуха в рабочие полости хвостового и головного пневмопакеров 7 и в многосекционный пневмоимпульсный патрон 8 устройства 4 (на фиг.2а и фиг.2б эти магистрали не показаны). Затем модифицированное устройство 4 подается вперед до забоя 9 скважины 3, используя подающую штангу 5 бурового станка 6. Скважину 3 в первой установленной позиции герметизируют с помощью двух пневмопакеров (герметизаторов) 7, входящих в конструкцию модифицированного устройства 4. Через хвостовой пневмопакер 7 устройства 4 производят подачу диоксида углерода в скважину под давлением не ниже порогового 2,8 МПа, при этом удельный расход сжиженного диоксида углерода составляет порядка 2 кг на м³ угольного массива. После этого в скважину подают воду до полного водонасыщения разупрочненного диоксидом углерода угольного массива в обрабатываемой зоне, при этом воду подают через хвостовой пневмопакер 7, модифицированное устройство 4 под давлением 1÷3 МПа. Затем за счет импульсного воздействия сжатым воздухом высокого давления 20÷70 МПа с помощью многосекционного пневмоимпульсного патрона 8, входящего в конструкцию устройства 4, давление воды в скважине увеличивают до 7÷8 МПа и выше. Это приводит к лавинообразному раскрытию пор и трещин и в результате к гидроразрыву угольного пласта в обрабатываемой зоне 10 (фиг.2а).

После обработки угольного пласта на первой позиции установки устройства 4 скважину 3 разгерметизируют (сбрасывают давление сжатого воздуха в пневмопакерах), устройство перемещают по скважине 3 назад к устью скважины 12 на длину L модифицированного устройства 4 и повторяют вышеперечисленные операции на второй позиции (фиг.2б) и так далее вниз по длине скважины. Таким образом, обрабатывают угольный пласт по длине скважины до зоны разгрузки 11 горной выработки, но не менее 5 м (минимальный радиус зоны разгрузки горной выработки) от устья 12 скважины 3. Далее все вышеперечисленные операции повторяют на второй скважине и так далее, обрабатывая заданное количество массива угольного пласта.

При наличии нескольких устройств 4 для комбинированного разупрочнения угольного массива при реализации вышеописанных способов возможна обработка угольного пласта одновременно из нескольких скважин.

Известен «Пневматический патрон» [3], который предназначен для разрушения горных пород энергией сжатого воздуха. «Пневматический патрон» не может быть использован напрямую в предлагаемых устройствах, так как при наличии одной рабочей камеры и управляющего устройства сможет обрабатывать относительно небольшой участок угольного массива, что приведет к необходимости перемещать устройство по длине скважины для полной обработки заданного участка угольного массива, не представляется возможность осуществить предлагаемый комбинированный способ разупрочнения угольного пласта в связи с невозможностью одновременного воздействия на относительно длинный участок угольного массива и формировать потоки в импульсном режиме сжатого воздуха из выхлопных отверстий нормального, встречного и противоположного направлений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату изобретения аналогом в части устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта, принятым за прототип, является «Газодинамический патрон» [4].

Недостатки прототипа:

1. Управляющим элементом, для приведения в действие газодинамического патрона, служит диафрагма (срезной диск) однократного действия. Поэтому после каждого срабатывания патрона его следует извлекать из скважины (шпура) для перезарядки (установки новой диафрагмы). Эта особенность газодинамического патрона (прототипа) исключает возможность использования его в качестве многократного импульсного воздействия сжатым воздухом, истекающим из выхлопных отверстий патрона, на угольный массив.

2. Направление векторов струй сжатого воздуха, истекающих из выхлопных отверстий газодинамического патрона, имеют однозначное направление по нормали относительно продольной оси патрона и стенок скважины (шпура) и не взаимодействуют между собой.

3. Отсутствие обратных клапанов в перепускных каналах золотников, разделяющих патрон на отдельные секции (камеры), приводит к турбулентности течения сжатого воздуха внутри патрона по самым беспорядочным траекториям. Интенсивное перемешивание струи в турбулентном потоке приводит к сравнительно большой потере энергии и вследствие этого нестабильной величине давления на всем протяжении создаваемого фронта воздушной волны.

Целью изобретения в части устройства является разработка устройства для реализации способа комбинированного разупрочнения угольного массива, которое позволит герметизировать скважину в обрабатываемой зоне угольного массива и воздействовать на массив диоксидом углерода, воды и сжатым воздухом в импульсном режиме как раздельно, так и одновременно в любой комбинации и в любом диапазоне давления.

Эта цель достигается тем, что устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта содержит пневмопакер (герметизатор), закрепленный на торце в хвостовой части пневмоимпульсного патрона, или два пневмопакера (герметизатора), закрепленных соответственно на торцах многосекционного пневмоимпульсного патрона. Причем в пневмопакере, расположенным в хвостовой части устройства, проходят коммуникационные магистрали, представляющие собой систему подводящих каналов для подачи в скважину под давлением диоксида углерода, воды и раздельной подачи сжатого воздуха в пневмопакер и в многосекционный пневмоимпульсный патрон.

Отличительной особенностью данного изобретения является то, что возможно комбинированное воздействие на угольный массив диоксидом углерода, водой и сжатым воздухом в импульсном режиме как раздельно, так и одновременно в любой комбинации и с любой заданной частотой, что повышает надежность и эффективность разупрочнения угольного массива. Кроме того, конструкция многосекционного пневмоимпульсного патрона, входящая составной частью в устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта, исключает перемешивание струи воздуха в турбулентном потоке и, следовательно, обеспечивает стабильное давление истекающего из всех рабочих камер сжатого воздуха на всем протяжении фронта ударно-воздушной волны по длине скважины, при этом наличие управляющего устройства в этой конструкции позволяет производить повторные циклы срабатывания не извлекая устройство из скважины.

На фиг.3 изображено базовое устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта с одним пневмопакером (герметизатором), установленное в скважине, на фиг.4 - принципиальная схема работы базового устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта, на фиг.5 изображена модификация базового устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта с использованием воздухопроводных трубных элементов между секциями (модулями) става многосекционного пневмоимпульсного патрона, на фиг.6 - принципиальная схема модификации базового устройства с использованием в ставе многосекционного пневмоимпульсного патрона промежуточных воздухопроводных трубных элементов, на фиг.7 изображена модификация базового устройства для разупрочнения угольного пласта с двумя пневмопакерами, установленная в скважине, на фиг.8 - принципиальная схема модификации базового устройства с двумя пневмопакерами, на фиг.9 - модификация базового устройства для разупрочнения угольного пласта с двумя пневмопакерами, соединенными между собой воздухопроводом, установленная в скважине, на фиг.10 - принципиальная схема модификации базового устройства с двумя пневмопакерами, соединенными между собой воздухопроводом.

Устройство, изображенное на фиг.3, содержит пневмопакер (герметизатор) 1 и многосекционный пневмоимпульсный патрон 2. При этом в качестве пневмопакера может быть использован пневматический герметизатор любой конструкции, позволяющий расположить в его конструкции два канала 3 и 4. Один канал 3 предназначен для нагнетания в скважину 5 под давлением диоксида углерода, а затем по этому же каналу нагнетание в скважину 5 под давлением воды. Другой канал 4 предназначен для подачи сжатого воздуха в рабочую полость пневмопакера 1 и в многосекционный пневмоимпульсный патрон 2, а также для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера 1. Устройство подсоединено к двум магистралям из армированных шлангов высокого давления 6 и 7. Одна магистраль 6 с запорным вентилем 8 используется для нагнетания в скважину 5 через пневмопакер 1 по каналу 3 диоксида углерода, а затем через эту же магистраль воды. Вторая, воздушная магистраль 7, подсоединенная к источнику сжатого воздуха высокого давления через управляющий трехходовой вентиль 9, используется для поступления сжатого воздуха в пневмопакер 1 и в многосекционный пневмоимпульсный патрон 2 устройства, а также для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера 1.

Пневмопакер 1, входящий в устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта и расположенный в хвостовой части базового устройства, содержит систему подводящих каналов 3 и 4 для нагнетания в скважину 5 под давлением диоксида углерода, воды и раздельной подачи сжатого воздуха в пневмопакер 1 и в многосекционный пневмоимпульсный патрон 2, а также для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера 1, соответственно. Пневмопакер 1 содержит редуктор 10 и предохранительный клапан 27, которые позволяют подавать по каналу 4 в рабочую полость пневмопакера 1 сжатый воздух под заданным рабочим давлением и контролировать верхний предел рабочего давления сжатого воздуха при помощи предохранительного клапана 27 в рабочей полости пневмопакера 1, а также жиклер - калиброванный канал 32, соединяющий рабочую полость пневмопакера 1 с подводящим каналом 4, для сброса сжатого воздуха из рабочей полости.

Многосекционный пневмоимпульсный патрон 2 (фиг.3 и фиг.4А), входящий в устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта, состоит из управляющего устройства 11 и става, скомпонованного из заданного числа последовательно соединенных секций (модулей) 12. В каждой секции (модуле) 12 для сжатого воздуха образованы рабочая камера 13 емкостью V₁ и разрядная камера 14 емкостью V₂. Каждая секция (модуль) 12 имеет выхлопные отверстия 15, которые перекрыты дифференциальными золотниками 16, которые упираются в упорное кольцо 17 за счет усилия пружины 18. Площадь левого торца дифференциального золотника 16 больше площади его правого торца (за площадь правого торца дифференциального золотника 16 принимается площадь, образованная за контуром прилегания правого торца дифференциального золотника 16 к упорному кольцу 17). Каждый дифференциальный золотник 16 снабжен обратным клапаном 19.

Поскольку направление истечения потоков сжатого воздуха из рабочих и разрядных камер 13 и 14 оказывает влияние на характер возникновения трещин в обрабатываемом угольном массиве, выхлопные отверстия 15 могут быть выполнены под разными углами в диапазоне 45-135 градусов по направлению относительно продольной оси устройства. Это дает возможность при компоновке става многосекционного пневмоимпульсного патрона 2 изменять направление сброса потоков в импульсном режиме сжатого воздуха из выхлопных отверстий 15 в скважину (см. фиг.4В), то есть секции (модули) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 могут быть установлены по длине става таким образом, чтобы можно было формировать потоки в импульсном режиме сжатого воздуха из выхлопных отверстий 15 нормального, встречного и противоположного направлений (на фиг.4В показаны хвостовая и головная секции 12 става пневмоимпульсного патрона 2, формирующие потоки сжатого воздуха из выхлопных отверстий 15 встречного направления). Длину става пневмоимпульсного патрона 2 можно изменять за счет количества секций (модулей) 12, входящих в этот став. Причем комбинированием секций (модулей) 12 с выхлопными отверстиями 15 различного направления по длине става пневмоимпульсного патрона 2 можно изменять характер возникновения трещин при разупрочнении угольного пласта.

Управляющее устройство 11 (см. фиг.4А), расположенное в хвостовой части пневмоимпульсного патрона 2, осуществляет его срабатывание и состоит из кольцеобразного поршня 20, прилегающего к упорному кольцу 21 и перекрывающего отверстия 22, которые сбрасывают сжатый воздух из разрядной камеры 14 хвостовой секции (модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 в скважину (см. фиг.4Б). Кольцеобразный поршень 20 насажен на воздухораспределитель 23 (см. фиг.4А). Кольцеобразный поршень 20 и воздухораспределитель 23 размещены в управляющем устройстве 11 коаксиально и образуют в нем вспомогательную кольцеобразную камеру 24 емкостью V₃. При этом емкость вспомогательной кольцеобразной камеры 24 управляющего устройства 11 и рабочих и вспомогательных камер 13 и 14 секций (модулей) 12 става пневмопатрона 2 должны удовлетворять условию V₁>V₂>V₃.

В корпусе воздухораспределителя 23 расположены центральный продольный канал 25 и обратный клапан 19, сообщающие полость разрядной камеры 14 хвостовой секции (хвостового модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 с поперечным сбрасывающим каналом 26, с кольцеобразной вспомогательной камерой 24, с подводящим каналом 4, расположенным в пневмопакере 1, и с воздухопроводом сжатого воздуха 7. Площадь левого торца кольцеобразного поршня 20 больше площади его правого торца (за площадь правого торца кольцеобразного поршня 20 принимается площадь, образованная за контуром прилегания правого торца кольцеобразного поршня 20 к упорному кольцу 21).

Устройство для комбинированного разупрочнения угольного пласта с одним пневмопакером (герметизатором) работает следующим образом. От источника сжатого воздуха высокого давления через открытый управляющий трехходовой вентиль 9 и воздухопроводную сеть 7 сжатый воздух поступает (см. фиг.4А) в пневмопакер 1 и по каналу 4, который расположен в пневмопакере 1, разделяется на два потока. Один поток сжатого воздуха через редуктор 10 поступает в рабочую полость пневмопакера 1, который при этом герметизирует скважину. Редуктор 10 лимитирует повышение давления сжатого воздуха в рабочей полости пневмопакера 1 не выше максимального рабочего давления, а предохранительный клапан 27 контролирует рабочее давление в рабочей полости пневмопакера 1. Второй поток сжатого воздуха поступает в управляющее устройство 11 и далее в разрядную камеру 14 хвостовой секции (модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2. Далее поток сжатого воздуха через все обратные клапана 17 поступает во все разрядные и рабочие камеры секций (модулей) 12 става пневмоимпульсного патрона 2, в которых при этом устанавливается равновесное заданное давление сжатого воздуха. Затем управляющий трехходовой вентиль 9 поворачивают в положение «закрыто». После этого приступают к процессу разупрочнения угольного массива. Открывают вентиль 8 и от источника через магистраль 6 и канал 3, расположенный в пневмопакере 1, производят под давлением подачу диоксида углерода в скважину. Затем после обработки угольного массива вокруг скважины диоксидом углерода в скважину под давлением подается вода по той же коммуникационной системе, что и при подаче в скважину диоксида углерода, до полного водонасыщения разупрочненного диоксидом углерода угольного массива в обрабатываемой зоне. Закрывают вентиль 8. После этого управляющий трехходовой вентиль 9 поворачивают в положение «сброс» (см. фиг.4Б), при этом через управляющий трехходовой вентиль 9 сжатый воздух истекает (сбрасывается) из емкости вспомогательной кольцеобразной камеры 24 управляющего устройства 11 в атмосферу.

Вследствие этого происходит перепад давления между торцами цилиндрического поршня 20, который мгновенно смещается влево и открывает сбрасывающие отверстия 22, через которые сжатый воздух из разрядной камеры хвостовой секции (модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 сбрасывается в скважину. В связи с мгновенным падением давления в разрядной камере хвостовой секции (модуля) 12 создается перепад давлений сжатого воздуха между разрядной камерой 14 и рабочей камерой 13 этой секции става пневмоимпульсного патрона 2. Дифференциальный золотник 16 с большой скоростью перемещается влево (см. фиг.4В), отжимая пружину 18 в левое крайнее положение, при этом открываются выхлопные отверстия 15 хвостовой секции (модуля) 12 и воздух из рабочей камеры 13 и разрядной камеры 14 следующей секции после хвостовой сбрасывается в скважину. Аналогичным путем срабатывают последовательно остальные секции 12 става пневмоимпульсного патрона 2.

После полного срабатывания (разряжения) пневмоимпульсного патрона 2 дифференциальные золотники 16 под действием усилия пружин 18 возвращаются в исходное положение, после чего рабочий цикл воздействия на обрабатываемый угольный пласт в импульсном режиме сжатым воздухом высокого давления повторяют. То есть открывают управляющий трехходовой вентиль 9 и сжатый воздух высокого давления от источника поступает в управляющее устройство 11 и далее во все разрядные и рабочие камеры секций (модулей) 12 става пневмоимпульсного патрона 2. Затем управляющий трехходовой вентиль 9 поворачивают в положение «сброс» и происходит процесс, рассмотренный выше на фиг.4, срабатывания пневмоимпульсного патрона 2. После завершения работ по обработке угольного пласта вокруг скважины 5 с использованием предлагаемого устройства скважину 5 разгерметизируют (сбрасывают давление сжатого воздуха в рабочей полости пневмопакера 1), то есть через жиклер - калиброванный канал 32, соединяющий рабочую полость пневмопакера 1 с подводящим каналом 4, при открытом управляющем трехходовом вентиле 9 сжатый воздух из рабочей полости пневмопакера 1 по подводящему каналу и воздухопроводной сети 7 истекает в атмосферу. Затем устройство переставляют на другую скважину для проведения операций по обработки угольного массива на следующей позиции.

Изображенная на фиг.5 модификация базового устройства для комбинированного разупрочнения угольного пласта с использованием воздухопроводных трубных элементов 28 между секциями (модулями) 12 става пневмоимпульсного патрона 2, а на фиг.6 принципиальная схема этого устройства. Эта модификация базового устройства позволяет рассредоточить секции (модули) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 по длине скважины 5 (см. фиг.5), что позволяет в зависимости от физико-механических свойств и структуры угольного массива изменить характер образования трещин при воздействии на обрабатываемый участок угольного массива в импульсном режиме сжатым воздухом высокого давления. Это достигается путем увеличения времени воздействия на обрабатываемый участок угольного массива в импульсном режиме сжатым воздухом высокого давления за счет истекающего из выхлопных отверстий 15 дополнительного объема сжатого воздуха V₄, находящегося в промежуточных воздухопроводных трубных элементах 28. Подготовка к работе и функционирование этой модификации базового устройства осуществляется по аналогии с базовым устройством, описанным выше и изображенным на фиг.4.

Модификация базового устройства, изображенная на фиг.7, предназначена для осуществления способа разупрочнения угольного массива приведенного на фиг.2, когда длина скважин более 20 м. В данной модификации (см. фиг.7 и фиг.8) используются два пневмопакера 1 и 29. Как и в базовом устройстве пневмопакер 1 так же установлен в хвостовой части модифицированного устройства и имеет такую же конструкцию пневмопакера как и в базовом варианте (см. фиг.4). Головной пневмопакер 29 установлен в головной части всего устройства. Заполнение сжатым воздухом рабочей полости головного пневмопакера 29 осуществляется непосредственно из рабочей камеры 13 головной секции (модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2 через воздухопроводный канал 30, соединяющий эти полости. Рабочая камера головного пневмопакера 29 связана с воздухопроводным каналом 30 через редуктор 10 и предохранительный клапан 27. Редуктор 10 пропускает сжатый воздух под давлением, не превышающим заданное рабочее давление в рабочей полости пневмопакера 29, а предохранительный клапан 27 контролирует верхний предел рабочего давления сжатого воздуха в рабочей полости пневмопакера 29. Жиклер - калиброванный канал 32 пневмопакера 29, соединяющий рабочую полость пневмопакера 29 с рабочей полостью 13, используется для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера 29 в рабочую камеру 13 головной секции (модуля) 12 става пневмоимпульсного патрона 2. Жиклер - калиброванный канал 32 пневмопакера 1, соединяющий рабочую полость пневмопакера 1 с подводящим каналом 4, при открытом управляющем трехходовом вентиле 9, используется для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера 1 по подводящему каналу 4 и воздухопроводной сети 7 в атмосферу. Подготовка к работе и функционирование этой модификации осуществляется по аналогии с устройством, описанным и изображенным на фиг.4. При этом скважина по длине, которой обрабатывается угольный массив, герметизируется на каждой заходке с обеих сторон.

Изображенное устройство на фиг.9 и фиг.10 является модификацией устройства для разупрочнения угольного пласта, изображенного на фиг.7 и фиг.8. Это устройство отличается от устройства, изображенного на фиг.7 и фиг.8, тем, что заполнение головного пневмопакера 29 сжатым воздухом осуществляется через воздухопровод (гибкий воздухопроводный рукав высокого давления) 31, соединяющий рабочую полость хвостового пневмопакера 1 с рабочей полостью головного пневмопакера 29. В данной модификации у головного пневмопакера 29 по сравнению пневмопакером 1 отсутствуют редуктор 10, предохранительный клапан 27 и жиклер - калиброванный канал 32. Поскольку рабочие емкости этих пневмопакеров 1 и 29 объеденены, то контролирование и поддержание заданного рабочего давления в рабочих полостях пневмопакеров 1 и 29, а также сброс сжатого воздуха из рабочих полостей пневмопакеров осуществляется устройствами, имеющимися у хвостового пневмопакера 1 (редуктор 10, предохранительный клапан 27 и жиклер - калиброванный канал 32). Подготовка к работе и функционирование этой модификации осуществляется по аналогии с устройствами, описанными и изображенными на фиг.4, фиг.7 и фиг.8.

Таким образом, использование предлагаемых комбинированных способов разупрочнения угольного массива и устройств для их осуществления позволит повысить эффективность разупрочнения угольного массива и дегазации угольного пласта в избирательном режиме в зависимости от физико-механических свойств угля (структуры угольного пласта) и горнотехнических условий разработки.

Источники информации

1. «Способ разупрочнения угольного массива», патент на изобретение РФ №2053369, кл. Е21F 5/00, 27.01.1996 г., Бюл. №3 (аналог способа).

2. «Способ разупрочнения угольного пласта (варианты)», патент на изобретение РФ №2082886, кл. Е21F 5/00, 27.06.1997 г., Бюл. №18 (прототип способа).

3. «Пневматический патрон», авторское свидетельство на изобретение СССР №1802117, кл. Е21С 37/06, 15.03.1993 г., Бюл. №10 (аналог устройства).

4. «Газодинамический патрон», авторское свидетельство на изобретение СССР №1809049, кл. Е21С 37/06, 15.04.1993 г., Бюл. №14 (прототип устройства).

1. Способ разупрочнения угольного массива, включающий бурение скважин в обрабатываемую зону угольного пласта, подачу в них диоксида углерода под давлением не ниже порогового, нагнетание воды под давлением ниже гидроразрыва пласта до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, отличающийся тем, что подают сжатый воздух высокого давления для повышения давления в скважине выше гидроразрыва угольного пласта в обрабатываемой зоне, причем сжатый воздух высокого давления подают в импульсном режиме как раздельно, так и одновременно в любой комбинации и в определенном диапазоне давлений сжатого воздуха с заданной частотой в зависимости от физико-механических свойств и структуры угольного пласта.

2. Устройство для разупрочнения угольного пласта, включающее многосекционный пневмоимпульсный патрон, отличающееся тем, что в конструкцию устройства включен один пневмопакер, имеющий редуктор, предохранительный клапан, жиклер - калиброванный канал и два канала, один из которых предназначен для нагнетания в скважину под давлением диоксида углерода, а затем по этому же каналу нагнетания в скважину под давлением воды, другой предназначен для подачи сжатого воздуха в рабочую полость пневмопакера и в многосекционный пневмоимпульсный патрон, а также для сброса сжатого воздуха из рабочей полости пневмопакера, при этом пневмопакер размещен в хвостовой части устройства, а многосекционный пневмоимпульсный патрон состоит из управляющего устройства с вспомогательной кольцеобразной камерой емкостью V₃ и става, скомпонованного из заданного числа последовательно соединенных секций в виде модулей с выхлопными отверстиями, перекрытыми дифференциальными золотниками, причем площадь левого торца золотников больше площади их правого торца, а каждая секция содержит рабочую камеру емкостью V₁ и разрядную камеру емкостью V₂, при этом емкость вспомогательной кольцеобразной камеры управляющего устройства и емкости рабочих и вспомогательных камер секций става многосекционного пневмоимпульсного патрона должны удовлетворять условию V₁>V₂>V₃, а выхлопные отверстия выполнены под углами 45÷135° градусов по направлению относительно продольной оси устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между секциями става многосекционного пневмоимпульсного патрона расположены воздухопроводные трубные элементы.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит дополнительный пневмопакер, при этом пневмопакеры размещены по торцам многосекционного пневмоимпульсного патрона.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит воздухопровод, выполненный в виде гибкого воздухопроводного рукава высокого давления для заполнения головного пневмопакера сжатым воздухом, при этом воздухопровод соединяет рабочую полость хвостового пневмопакера с рабочей полостью головного пневмопакера.