Способ прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных пород и устройство для его осуществления

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогнозирования опасности газодинамических явлений при ведении горных работ на выбросоопасных и высокогазоносных пластах. Способ прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных пород включает бурение каждой из разведочных скважин с предварительной герметизацией их устья. Измерение количества газа и штыба проводят с герметизацией измерительных каналов непрерывно и одновременно с бурением скважин при оставлении бурового става в скважине. Оценку глубины скважины ведут путем непрерывного измерения ее текущей глубины, на профилях количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины определяют средние значения и среднеквадратические отклонения количества газа и штыба, и на отрезках глубины скважины, где удельное количество штыба больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенного горного давления на этих же отрезках глубины скважины, а на отрезках глубины скважины, где удельное количество газа больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенной газоносности на этих же отрезках глубины скважины, интегрированием профиля количества газа в зависимости от глубины скважины определяют среднюю газоносность штыба в месте проведения разведочной скважины, и в случае, когда величина средней газоносности превышает величину пороговой газоносности, определенную по предложенной формуле, и при совпадении зон повышенного горного давления и повышенной газоносности судят о наличии зон, опасных по газодинамическим явлениям, в которых определяют сорбционную способность штыба прерыванием бурения и определением текущего количества выделившегося газа во времени аппроксимацией кинетики газовыделения функцией, и при значениях постоянной времени менее 250 с эти зоны относят к особо опасным. Представлено устройство для осуществления указанного выше способа. Использование предложенных способа и устройства для его осуществления обеспечивает повышение точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогнозирования опасности газодинамических явлений при ведении горных работ на выбросоопасных и высокогазоносных пластах, в частности предназначено для контроля состояния угольных пластов методом бурения разведочных скважин.

Известен способ измерения продукции скважины, включающий разделение продукции скважины на газовую и жидкую составляющие (водопородная суспензия), непрерывное измерение расхода жидкости и определение ее количества, непрерывное измерение расхода газа и определение его количества, объединение потоков газа и жидкости и направление его в выходной трубопровод (RU, №2195552 С1, кл. Е21В 47/10, G01F 1/74, опубл. 27.12.2002 г.).

Известный способ осуществляется устройством для измерения продукции скважины, содержащим центробежный газоотделитель с входным трубопроводом и выходными трубопроводами газа, жидкости и продукции скважины, расходомеры газа и жидкости, связанные с вычислительным блоком, компрессор откачки газа из газоотделителя, при этом газоотделитель снабжен приводом его ротора либо от электрического мотора с переменной частотой вращения, либо от гидрореактивного мотора, который снабжен отверстиями со средствами для перераспределения потока жидкости и изменения частоты вращения ротора (RU, №2195552 С1, кл. Е21В 47/10, G01F 1/74, опубл. 27.12.2002 г.).

Использование известных способа и устройства для его осуществления для прогнозирования опасности газодинамических явлений при ведении горных работ не обеспечивает необходимой точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений из-за невысокой точности измерения количества газовой и жидкой составляющих (водопородной суспензии). Это вызвано тем, что для доставки измеряемых количеств газа и штыба к измерительным устройствам используется промывочная жидкость, применение которой усложняет технологическую схему, требует ее интенсивного перемешивания центробежным газоотделителем для интенсификации процесса отделения газа и трудоемких операций по извлечению штыба из промывочной жидкости, приводя к погрешностям в процессе измерения количества газа и штыба. Кроме того, отрицательно сказывается на точности измерений и то обостоятельство, что еще до поступления количеств газа и штыба в измерительные устройства некоторая, а для газа - значительная, часть их безвозвратно теряется.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ определения газодинамических явлений в массиве горных пород, включающий бурение разведочных скважин в массиве горных пород, измерение количества газа и штыба, выделяющихся из скважин при бурении и начальной скорости газовыделения по длине скважин, построение профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и времени и определение вида опасности газодинамических явлений по соотношению измеренных величин (SU, №740960, кл. Е21F 5/00, Е21С 39/00, опубл. 15.06.1980 г.).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками предлагаемого способа: вращательное бурение разведочных скважин в массиве горных пород; раздельное измерение количества газа и штыба, выделяющихся из скважин при бурении; оценка глубины скважины; построение профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и времени, по которым определяют вид опасности газодинамических явлений.

Известный способ - ближайший аналог осуществляется устройством для определения газодинамических явлений в массиве горных пород, содержащим снабженный фильтром входной трубопровод, газоотделитель, выполненный в цилиндрической емкости с нижней конусной частью, взаимосвязанный со средством для тангенциального ввода продукции скважины, выполненным в виде установленного в верхней части емкости сопла, выполненное в виде патрубка средство для отвода газа, установленное коаксиально емкости и взаимосвязанное с измерителями расхода газа и жидкости, датчик уровня жидкости в газоотделителе, выходной трубопровод, блок управления и вычисления, при этом часть патрубка, расположенная внутри емкости, выполнена перфорированной и снабжена отражателями, выполненными в виде обращенных основанием вниз усеченных конусов, ниже сопла для ввода продукции скважины установлен ленточный шнек для подвода жидкости к средству ее отвода, которое установлено в конической части емкости, причем устройство снабжено насосом для откачки жидкости из емкости и эжектором для смешивания газа с жидкостью (RU, №2191262 С1, кл. Е21В 47/10, G01F 1/74, опубл. 20.10.2002 г.).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками предлагаемого устройства: выполненный в виде емкости газоотделитель, взаимосвязанный со средством ввода продукции скважины; газоотделитель снабжен выполненным в виде патрубка средством для отвода газа, взаимосвязанным с измерителем количества газа; блок управления и вычисления.

Известные способ и устройство для его осуществления не обеспечивают достижения требуемого технического результата по следующим причинам.

Известные способ и устройство не обеспечивают высокой точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений из-за невозможности контроля измеряемых параметров в режиме реального времени.

Это вызвано тем, что реализация известного способа известным устройством осуществляется поочередно бурением интервала скважины и последующим измерением количества газа и штыба, выделяющихся из скважины, относящихся к данному интервалу. Для этого требуется прерывать бурение для измерений, вынимать буровой став, вставлять в скважину средства измерений, герметизировать скважину вместе со средствами измерений, что приводит к задержкам времени, зависящим от психофизиологического статуса производителя работ и его личного опыта, а это не позволяет осуществлять измерения в режиме реального времени.

Кроме того, измерение количества газа и штыба осуществляют в условиях негерметизированного устья скважины, которую бурят в массиве горных пород, например угольном пласте, в результате чего значительная часть потоков штыба и газа теряется до поступления в измерительные устройства. При этом результат измерений зависит от неконтролируемых составляющих процесса измерений: текущего газодинамического состояния массива - потери газа тем значительнее, чем опасней ситуация; технического состояния средств измерений, не контролируемых стандартными методиками, что также не обеспечивает высокой точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных пород и устройства для его осуществления, в которых за счет обеспечения возможности контроля измеряемых параметров в режиме реального времени обеспечивается повышение точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения выбросоопасности угля и породы, включающем вращательное бурение разведочных скважин в массиве горных пород, раздельное измерение количества газа и штыба, выделяющихся из скважин при бурении, оценку глубины скважины, построение профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и времени, по которым определяют вид опасности газодинамических явлений, согласно изобретению бурение разведочных скважин осуществляют с предварительной герметизацией их устья, измерение количества газа и штыба проводят с герметизацией измерительных каналов непрерывно и одновременно с бурением скважин при оставлении бурового става в скважине, при этом оценку глубины скважины ведут путем непрерывного измерения ее текущей глубины, на профилях количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины определяют средние значения и среднеквадратические отклонения количества газа и штыба, и на отрезках глубины скважины, где удельное количество штыба больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенного горного давления на этих же отрезках глубины скважины, а на отрезках глубины скважины, где удельное количество газа больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенной газоносности на этих же отрезках глубины скважины, интегрированием профиля количества газа в зависимости от глубины скважины определяют среднюю газоносность штыба в месте проведения разведочной скважины, и в случае, когда величина средней газоносности превышает величину пороговой газоносности, определенную по формуле:

g=0,25·d²·l·π·ρ·G,

где g - пороговая газоносность, м³/кг;

d - диаметр скважины, м;

l - текущая глубина скважины, м;

G - предельная газоносность, м³/кг;

ρ - плотность штыба, кг/м³,

и при совпадении зон повышенного горного давления и повышенной газоносности судят о наличии зон, опасных по газодинамическим явлениям, в которых определяют сорбционную способность штыба прерыванием бурения и определением текущего количества выделившегося газа во времени аппроксимацией кинетики газовыделения функцией вида:

Q=Q₀·ехр^-t/τ,

где Q - текущая скорость газовыделения, л/с;

Q₀ - начальная скорость газовыделения, л/с;

t - текущее время, с;

τ - постоянная времени, с,

и, при значениях постоянной времени менее 250 с, эти зоны относят к особо опасным.

В предлагаемом устройстве для осуществления предлагаемого способа, содержащем выполненный в виде емкости газоотделитель, взаимосвязанный со средством ввода продукции скважины, снабженный выполненным в виде патрубка средством для отвода газа, взаимосвязанным с измерителем количества газа, блок управления и вычисления, согласно изобретению средство ввода продукции скважины выполнено в виде полого корпуса с установленным на нем индикатором глубины скважины, снабженного установленным в одном торце цилиндрическим наконечником с эластичной камерой, охватывающей его с внешней стороны и закрепленной в другом торце внешней обоймой подшипника, на внутренней обойме которого закреплен газовый затвор, выполненный в виде набора чередующихся эластичных пластин с фасонными вырезами, соосно смещенных относительно друг друга с возможностью образования канала для подачи бурового става в скважину, при этом емкость с размещенным в ее стенке патрубком для отвода газа расположена на внешней боковой поверхности полого корпуса и снабжена размещенным в ней лабиринтным разделителем потоков газа и штыба, в котором выход для потока штыба взаимосвязан с установленным в емкости накопителем штыба, взаимосвязанного с измерителем количества штыба, а выход для потока газа взаимосвязан с патрубком для отвода газа, причем информационный выход индикатора глубины скважины подключен к первому информационному входу процессора блока управления и вычисления, измеритель количества штыба - ко второму информационному входу процессора, информационный выход измерителя количества газа - к третьему информационному входу процессора, а выход процессора подключен к индикатору зависимостей количества газа и штыба от глубины скважины и от времени и сорбционной способности штыба.

Сущность предлагаемого способа прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных и устройства для его осуществления поясняются чертежами, где на фиг.1 схематично показано устройство для прогнозирования опасности газодинамических явлений в угольном пласте; на фиг.2 - профили количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины; на фиг.3 - профиль количества газа в зависимости от времени; на фиг.4 - кривая кинетики сорбционной способности угля.

Устройство для прогнозирования опасности газодинамических явлений в угольном пласте пород содержит средство ввода продукции скважины, выполненное в виде полого корпуса 1 с установленным на нем индикатором 2 глубины скважины. Полый корпус 1 снабжен установленным в одном его торце цилиндрическим наконечником 3 с эластичной камерой 4, охватывающей его с внешней стороны. В другом торце корпуса 1 закреплена внешняя обойма 5 подшипника 6, на внутренней обойме 7 которого закреплен газовый затвор 8, выполненный в виде набора чередующихся эластичных пластин с фасонными вырезами, соосно смещенных относительно друг друга с шагом спирали Архимеда с возможностью образования канала для подачи бурового става 9 в скважину. Полый корпус 1 взаимосвязан с газоотделителем, выполненным в виде емкости 10, размещенной на его внешней боковой поверхности. В емкости 10 размещен лабиринтный разделитель 11 потоков газа и штыба, в котором выход для потока штыба взаимосвязан с установленным в емкости 10 накопителем 12, взаимосвязанным с измерителем 13 количества штыба. Выход для потока газа лабиринтного разделителя 11 взаимосвязан с размещенным в стенке емкости 10 патрубком 14 для отвода газа, взаимосвязанного с измерителем 15 количества газа. Информационный выход индикатора 2 глубины скважины подключен к первому информационному входу процессора 16, измеритель 13 количества штыба - ко второму информационному входу процессора 16, информационный выход измерителя 15 количества газа - к третьему информационному входу процессора 16, а выход процессора 16 подключен к индикатору 17 зависимостей количества газа и штыба от глубины скважины, от времени и от сорбционной способности штыба. Дополнительно герметизация полого корпуса 1 обеспечена установленным в его торце шевронным уплотнением 18.

Предлагаемый способ прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных пород, например угольном пласте, осуществляют предлагаемым устройством следующим образом.

В угольном пласте 19 в том месте, в котором необходимо провести прогноз опасности газодинамических явлений пласта, бурят короткую скважину 20 диаметром, превышающим диаметр предполагаемой разведочной скважины.

В короткую скважину 20 вводят цилиндрический наконечник 3 с эластичной камерой 4, охватывающей его с внешней стороны, и нагнетают в камеру 4 жидкий или газообразный флюид. При этом осуществляют фиксацию устройства в скважине 20 и одновременно достигают герметизацию устья скважины. Затем через канал, образованный фасонными вырезами эластичных пластин газового затвора 8, вводят буровой став 9 и приступают к вращательному бурению разведочной скважины 21 в угольном пласте. Фасонные вырезы в эластичных пластинах позволяют буровому ставу 9 продвигаться поступательно в соответствии с фактической длиной скважины. Величина поступательного продвижения става 9 контролируется индикатором 2 глубины скважины путем измерения текущей глубины скважины 21. При этом вращательное движение газового затвора 8 осуществляется вместе со ставом 9, тем самым создается препятствие свободному выходу из полого корпуса 1 газа и штыба, которые направляются в измерительные каналы, изолированные от атмосферы горной выработки при дополнительной герметизации корпуса 1 шевронным уплотнением 18.

Штыб, образующийся при бурении скважины 20, транспортируется ставом 9 в полый корпус 1 устройства, а газ поступает туда под действием собственного давления. Из полого корпуса 1 штыб и газ поступают в лабиринтный разделитель 11 потоков газа и штыба, установленного в емкости 10. Через выход для потока штыба лабиринтного разделителя 11 штыб поступает в накопитель 12, количество которого непрерывно измеряют измерителем 13 количества штыба. Газ через выход для потока газа лабиринтного разделителя 11 и далее через патрубок 14 для отвода газа поступает в измеритель 15 количества газа, где его количество непрерывно измеряют одновременно с измерением количества штыба и измерением текущей глубины скважины. Поскольку измеритель 15 количества газа практически не создает противодавления, давление внутри полого корпуса 1 незначительно превышает давление атмосферы горной выработки, а поскольку аэродинамическое сопротивление путей утечки газа через трещины значительно больше, чем аэродинамическое сопротивление измерителя 15 количества газа, это обеспечивает высокую точность измерения количества газа. Результаты измерений от индикатора 2 глубины скважины, от измерителя 13 количества штыба и измерителя 15 количества газа поступают соответственно на первый, второй и третий информационные входы процессора 16 и аккумулируются в нем. Осуществляют построение профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и времени обработки по программе в процессоре 16. На полученных профилях количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины определяют средние значения и среднеквадратические отклонения количества газа и штыба, и на отрезках глубины скважины, где удельное количество штыба больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенного горного давления на этих же отрезках глубины скважины, а на отрезках глубины скважины, где удельное количество газа больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о зонах повышенной газоносности на этих же отрезках глубины скважины. Интегрированием профиля количества газа в зависимости от глубины скважины определяют среднюю газоносность угля в месте проведения разведочной скважины, и в случае, когда величина средней газоносности превышает величину пороговой газоносности, определенную по формуле:

g=0,25·d²·l·π·ρ·G,

где g - пороговая газоносность, м³/кг;

d - диаметр скважины, м;

l -глубина скважины, м;

G - предельная газоносность для данного месторождения, м³/кг;

ρ - плотность угля, кг/м³,

и при совпадении зон повышенного горного давления и повышенной газоносности судят о наличии зон, опасных по газодинамическим явлениям.

В зонах, опасных по газодинамическим явлениям, определяют сорбционную способность штыба, для чего прерывают бурение остановкой вращения става 9 и определяют текущее количество выделившегося газа во времени аппроксимацией кинетики газовыделения функцией вида: Q=Q₀·ехр^-t/τ, где Q - текущая скорость газовыделения, л/с; Q₀ - начальная скорость газовыделения, л/с; t - текущее время, с; τ - постоянная времени, с. Результаты измерений поступают на третий информационный вход процессора 16 и после обработки индицируются индикатором 17. При значениях постоянной времени τ<250 с эти зоны относят к особо опасным.

Пример.

В забое конвейерного штрека угольного пласта угольной шахты пробурили короткую скважину диаметром 90 мм, длиной 0,6 м. В эту скважину ввели наконечник устройства и накачали эластичную камеру воздухом при помощи шахтной сети сжатого воздуха. В результате этих действий устройство зафиксировали в скважине, одновременно была достигнута герметизация устья разведочной скважины. Затем в скважину ввели буровой став, без нарушения герметизации скважины, и приступили к бурению разведочной скважины диаметром 42 мм и длиной 6 м. При этом непрерывно, с интервалом в 1 с, контролировали глубину скважины, текущее количество газа, выделяющегося в скважину, и текущее количество штыба в накопителе.

Результаты измерений в виде профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и профиля количества газа в зависимости от времени с вычисленными на них средними значениями и среднеквадратическими отклонениями количества газа и штыба, а также величину пороговой газоносности, определенную по формуле:

g=0,25·d²·l·π·ρ·G=0,25·0,042²·1,0·3,14·1400·9=0,017 м³/м,

вывели на индикатор зависимостей количества газа и штыба от глубины скважины, от времени и от сорбционной способности штыба (фиг.2, 3, 4).

Установили, что на глубинах скважины от 4 до 6 метров, удельное количество штыба (3,8-5,5 кг/м) больше среднего значения (1,8 кг/ м) на величину среднеквадратического отклонения (2,0 кг/м), т.е. установили наличие зоны повышенного горного давления на глубине скважины, равной 4 м и более (фиг.2). Измерением количества газа, фиг.2, установили, что удельное количество газа (0,5·10^-3 м³/с) больше среднего значения (0,3·10^-3 м³/с) на величину среднеквадратического отклонения (0,2·10^-3 м³/с), начиная с глубины 4,5 м и далее, т.е. установили зону повышенной газоносности с глубины скважины 4,5 м. Затем интегрированием профиля количества газа в зависимости от глубины скважины определили среднюю газоносность угля в месте проведения разведочной скважины, которая оказалась выше величины пороговой газоносности, рассчитанной по формуле, и, таким образом, пришли к заключению о наличии зоны, опасной по газодинамическим явлениям с глубины 5 м. Дополнительно, остановкой бурения на глубине 5 и 6 м определили сорбционную способность угля, заключенного в накопителе, по показателям текущего количества выделившегося газа во времени, фиг.3. Было установлено, что на глубине 5 м постоянная времени составляет 350 с, а на глубине 6 м - 250 с, т.е. наибольшая опасность газодинамического явления соответствует глубине 6 м.

По сравнению с ближайшим аналогом заявляемые способ и устройство для его осуществления в условиях герметизированной скважины обеспечивают измерение практически полного количества газа, выделяющегося в скважину, что приводит к повышению точности и достоверности определения зон, опасных по видам газодинамических явлений, на порядок.

1. Способ прогнозирования опасности газодинамических явлений в массиве горных пород, включающий вращательное бурение разведочных скважин в массиве горных пород, раздельное измерение количества газа и штыба, выделяющихся из скважин при бурении, оценку глубины скважины, построение профилей количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины и времени, по которым определяют вид опасности газодинамических явлений, отличающийся тем, что бурение каждой из разведочных скважин осуществляют с предварительной герметизацией их устья, измерение количества газа и штыба проводят с герметизацией измерительных каналов непрерывно и одновременно с бурением скважин при оставлении бурового става в скважине, при этом оценку глубины скважины ведут путем непрерывного измерения ее текущей глубины, на профилях количества газа и штыба в зависимости от глубины скважины определяют средние значения и среднеквадратические отклонения количества газа и штыба, и на отрезках глубины скважины, где удельное количество штыба больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения судят о наличии зон повышенного горного давления на этих же отрезках глубины скважины, а на отрезках глубины скважины, где удельное количество газа больше средних значений на величину среднеквадратического отклонения, судят о наличии зон повышенной газоносности на этих же отрезках глубины скважины, интегрированием профиля количества газа в зависимости от глубины скважины определяют среднюю газоносность штыба в месте проведения разведочной скважины, и в случае, когда величина средней газоносности превышает величину пороговой газоносности, определенную по формуле
g=0,25·d²·l·π·ρ·G,
где g - пороговая газоносность, м³/кг;
d - диаметр скважины, м;
l - текущая глубина скважины, м;
G - предельная газоносность, м³/кг;
ρ - плотность штыба, кг/м³,
и при совпадении зон повышенного горного давления и повышенной газоносности судят о наличии зон, опасных по газодинамическим явлениям, в которых определяют сорбционную способность штыба прерыванием бурения и определением текущего количества выделившегося газа во времени аппроксимацией кинетики газовыделения функцией вида
Q=Q₀·exp^-t/τ,
где Q - текущая скорость газовыделения, л/с;
Q₀ - начальная скорость газовыделения, л/с;
t - текущее время, с;
τ - постоянная времени, с,
и при значениях постоянной времени менее 250 с эти зоны относят к особо опасным.

2. Устройство для определения опасности газодинамических явлений в массиве горных пород, содержащее выполненный в виде емкости газоотделитель, взаимосвязанный со средством ввода продукции скважины, снабженный выполненным в виде патрубка средством для отвода газа, взаимосвязанным с измерителем количества газа, блок управления и вычисления, отличающееся тем, что средство ввода продукции скважины выполнено в виде полого корпуса с установленным на нем индикатором глубины скважины, снабженного установленным в одном торце цилиндрическим наконечником с эластичной камерой, охватывающей его с внешней стороны и закрепленной в другом торце внешней обоймой подшипника, на внутренней обойме которого закреплен газовый затвор, выполненный в виде набора чередующихся эластичных пластин с фасонными вырезами, соосно смещенных относительно друг друга с возможностью образования канала для подачи бурового става в скважину, при этом емкость с размещенным в ее стенке патрубком для отвода газа расположена на внешней боковой поверхности полого корпуса и снабжена размещенным в ней лабиринтным разделителем потоков газа и штыба, в котором выход для потока штыба взаимосвязан с установленным в емкости накопителем штыба, взаимосвязанным с измерителем количества штыба, а выход для потока газа взаимосвязан с патрубком для отвода газа, причем информационный выход индикатора глубины скважины подключен к первому информационному входу процессора блока управления и вычисления, измеритель количества штыба - ко второму информационному входу процессора, информационный выход измерителя количества газа - к третьему информационному входу процессора, а выход процессора подключен к индикатору зависимостей количества газа и штыба от глубины скважины и от времени и сорбционной способности штыба.